Abstract This written work in
ANÁLISIS DE LA DILATACIÓN DE LÍQUIDOS P. Altamirano, C. Andrade, H Jami, B. Montes, B. Pinto Ing. D. Proaño Molina Estudiante: B. Pinto Calispa
Física II, Departamento de Ciencias Exactas, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Extensión Latacunga. E-mail:
[email protected];
[email protected] conjunction with the practice that aims, provides the reader with first-hand information scientifically tested and supported with specific and summarized concepts that allow easy understanding formulas. Thermometry and fluid expansion is based on detailed variables in the development of detailed work as the temperature varies and obviously the change in volume of the liquid. Performing several tests or assays are essential for variety of data and visualize how the expansion process of the liquid occurs. In tests for the variables and the development of written work it has been used a liquid diesel fuel or diesel, which at high temperatures this liquid has a good dilation and gradually increases the volume. Dilation can occur in a variety of dilettantes some more liquid than others, but as we all are exposed to temperature variations their expansions are occurring simultaneously. Keywords: Thermometry, Temperature, Boiling, freezing, Dilation, Thermometer, thermometric scales, Vol.
Resumen El presente trabajo escrito conjuntamente con la práctica a la que apunta, brinda al lector información de primera mano comprobada y sustentada científicamente, con conceptos y formulas específicas y resumidas que permiten una fácil comprensión. La termometría y dilatación de líquidos esta detallada en base a variables que en el desarrollo del trabajo se detallan como varia la temperatura y evidentemente la variación de volumen del líquido. La realización de varias pruebas o ensayos son primordiales para obtener variedad de datos y visualizar como ocurre el proceso de dilatación de los líquidos. En los ensayos realizados para obtener las variables y para el desarrollo del trabajo escrito se ha utilizado un líquido combustible diésel o gasoil, que a temperaturas altas este líquido tiene una buena dilatación y aumenta progresivamente el volumen del mismo. La dilatación de puede ocurrir en una gran variedad de líquidos algunos más diletantes que otros, pero como todos están expuestos a variaciones de temperaturas sus dilataciones están ocurriendo simultáneamente. Palabras claves: Termometría, Temperatura, Ebullición, Congelación, Dilatación, Termómetro, Escalas Termométricas, Volumen.
2 1. OBJETIVO. Analizar y demostrar la dilatación de los líquidos en base a la temperatura y variación de volumen. 2.
La dilatación de los líquidos está estructurada a continuación:
ΔV =Vₒ∗β∗ΔT (1)
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA.
2.1. Termodinámica La Termodinámica estudia el intercambio de energía en sus diversas formas, su interacción con los equipos, las propiedades de la materia y el uso racional de la energía. [1] A la termodinámica no le incumben los detalles constructivos de un proceso que produce una transformación, sino la transformación en sí, obteniendo datos y análisis generales que son muy aplicables en la industria. Dado que no se puede concebir industria sin uso de energía, esta ciencia tiene una gran importancia práctica y se aplica en todas las ramas de la Ingeniería. 2.2. Termometría y dilatación Existen varios efectos que ocasionan las variaciones de temperatura en los cuerpos o sustancias ya sean sólidos, líquidos o gases, son los cambios de sus dimensiones o cambios de fase, es decir los cambios de dimensiones de los cuerpos sin que se produzca un cambio comprometedor a su postura inicial. Termometría Al colocar un cuerpo a la acción del sol, del fuego u otra fuente calórica, éste se calienta. Este calentamiento da el estado térmico del cuerpo, definiendo que el estado térmico del cuerpo es mayor o menor que otro. [2]
ΔV :Variacion del volúmen
Vₒ :Volúmen inicial del liquido β :Coeficiente de dilataciondel liquido
ΔT :Variacion de latemperatura Como la forma de un fluido no está definida, solamente tiene sentido hablar del cambio de volumen con la temperatura.
β=
ΔV Vₒ∗ΔT
Los líquidos se caracterizan por dilatarse al aumentar la temperatura, siendo su dilatación volumétrica unas diez veces mayor que la de los sólidos. [4] El líquido más común es el agua, este no tiene el mismo comportamiento de los otros líquidos cuando se somete a diferentes temperaturas. A continuación se puede visualizar en la ilustración los coeficientes de dilatación volumétrico de algunos líquidos específicos, estos tiene una dilatación muy distinta a la de los materiales solidos o gases.
Cuando se necesita enfriar un líquido muy caliente le agregamos un líquido más frío, obteniéndose un estado térmico menor que el del primer líquido pero mayor que el del segundo. Dilatación de Líquidos Se llama dilatación al cambio de dimensiones que experimenta los sólidos, líquidos y gases cuando se varía la temperatura, permaneciendo la presión constante. La mayoría de los sistemas aumentan sus dimensiones cuando se aumenta la temperatura. [3] En los líquidos se caracteriza por dilatarse al aumentar la temperatura, siendo su dilatación volumétrica, y no todos los líquidos se dilatan de la misma manera, algunos tienen mayor dilatación que otros.
Ilustración 1: Coeficientes de dilatación Fuente: (AGUILAR, 2013)
2.3. Temperatura Según [5]. La intensidad de calor de una sustancia o de un cuerpo, o su tendencia para transmitir calor, es
3 medida por su temperatura. La temperatura no indica la cantidad de calor, más bien es una medida de calor sensible de un cuerpo o de un grado de enfriamiento.
mundo su temperatura varía de acuerdo a las condiciones naturales y físicas del lugar.
La temperatura es considerada como la medida de la capacidad que tiene un cuerpo para transferir calor, esta medida es determinada por instrumentos termométricos (termómetros). También se puede indicar cualitativamente a la temperatura gracias a nuestros sentidos, así se puede decir que tan frio o caliente esta un cuerpo.
2.4. Termómetros Un termómetro es un instrumento que se usa para definir y medir la temperatura de un sistema. [6] Todo termómetro existente aprovecha el cambio de alguna propiedad física con la temperatura, las propiedades más comunes son cuando cambia de volumen un líquido, cuando un sólido sufre un cambio de longitud, en gases se aprovecha el cambio de presión a un cierto volumen constante o el cambio de volumen a una presión constante del gas.
Ilustración 3: Experimentos; Ebullición del agua Fuente: (FAMI, 2015) Punto de Congelación del Agua Es el punto donde el líquido se solidifica es decir cambia de su estado líquido a solido; el punto de congelación del agua universalmente es 0°C. A continuación en el Gráfico 1 se pude visualizar las medidas de ebullición y congelación del agua.
Gráfico 1: Punto de Ebullición y Congelación del Agua en las escalas más reconocidas.
2.5. Escalas termométricas Ilustración 2: Tipos de termómetros Fuente: (JOETH, 2012)
Las escalas más reconocidas son cuatro la escala Celsius siendo la más utilizada, la Kelvin, Fahrenheit y Rankin.
Punto de Ebullición del Agua El punto de ebullición se define como la temperatura a la cual la presión de vapor saturado de un líquido, es igual a la presión atmosférica de su entorno. [7] El punto de ebullición del agua es cuando se produce un cambio de estado líquido a gaseoso. Universalmente se dice que el punto de ebullición del agua es de 100°C, pero en muchos lugares del
Ilustración 4: Temperaturas del agua Fuente: (PASSAMONTI, 2015)
4
Escala Celsius Fue creada en 1742 por Andrés Celsius, es la más utilizada en el mundo, su referencia inferior está basada en el punto de fusión del hielo (0°c) y la superior en el punto de ebullición del agua (100°c). [8] Esta escala esta se visualiza 100 divisiones empezando desde 0°C hasta 100°C. Las demás escalas termométricas pueden ser calculadas basadas en esta escala.
° C=° K−273 (2) Escala kelvin
hidrocarburos, la gasolina son mezcladas con etanol a diferencia del diésel. [10] El diésel o gasoil es un hidrocarburo líquido más utilizado en vehículos grandes como camiones o autobuses, maquinas industriales e incluso aeronaves.
La densidad del hidrocarburo gasoil esta sobre los
832 Kg /m3
o
0.832 g /c m3
fundamentalmente por parafinas, y una de sus características principales es que no es soluble al agua. [11]
Esta escala es la que se usa en la ciencia y está basada en los principios de la termodinámica, en los que se predice la existencia de una temperatura mínima. [9] La escala kelvin puede ser transformada o deducida a partir de la siguiente formula:
° K =° C +273(3)
Ilustración 5: Diésel o gasóleo Fuente: (Company, s.f.)
Escala Fahrenheit La escala Fahrenheit es muy utilizada en los países de habla inglés, antiguamente los termómetros de mercurio eran marcados a esta escala. El punto de ebullición es de 212°K, el punto de congelación es de 32°K.
9 ° F= ° C+ 32(4) 5
3.
MATERIALES Y EQUIPOS
Sistema de soporte ge agarre Rejilla o lata de acero Vaso de precipitación de 250ml Matraz Erlenmeyer 100ml Tapa del recipiente, tapo o corcho.
Escala Rankin
Termómetro de Alcohol o mercurio
La escala Rankin no es muy utilizada, por motivos de aprendizaje y estudio se la maneja en algunos textos, la temperatura a esta escala también puede ser expresada en base a la escala Celsius.
Mechero o cocina a gas
9 ° R= ° C+ 492 ( 5 ) 5
Diésel (gasoil) 100ml Tuvo capilar de 4mm de diámetro Agua 300ml en ebullición Agua 300ml en fusión Flexómetro
2.6. Diésel o gasóleo El gasoil es un tipo de aceite pasado elaborado, como la gasolina sin plomo, a base de petróleo e
compuesto
Gráfico y esquemas
5
Ilustración 6: Sistema de soporte Fuente: (PROAÑO, Preparatorio de laboratorio de fisica, 2016) 4.
PROCEDIMIENTO
Procedimiento de montaje -
-
Montar el material de soporte en el sistema armado como se muestra en la ilustración 6. Colocar el termómetro en el tapón con 2 orificios, de forma que sobresalga todo el vástago. Colocar también el tubo de vidrio en el tapón, de manera que ajuste completamente para que no haya fugas.
Procedimiento de utilización 1.
5.
Poner en el matraz Erlenmeyer una cantidad de líquido frio, dejando un pequeño espacio en el borde y anotar el volumen inicial que ocupo.
2.
Cerrar el matraz Erlenmeyer con el tapón, procurando que no se riegue el líquido ni quede aire dentro del matraz.
3.
Marcar el nivel inicial del líquido en el tubo capilar
4.
Colocar el matraz en el interior del vaso con agua de precipitación sosteniéndolo con el soporte de manera que no entren en contacto el vaso con el matraz.
5.
Calentar progresivamente e identificar la dilatación progresiva y el tiempo necesario para dicho proceso.
6.
Repetir el ensayo cuantas las veces que le parezca más conveniente.
TABLA DE DATOS
Ensayo 1:
Tabla 1: Datos del ensayo 1 Elaborado por: Bryan Pinto Calispa Análisis: Como se puede visualizar los datos de la Tabla 2; la temperatura inicial a la que se encontraba el agua es de 19°C, la longitud inicial del líquido en el tubo capilar es de
1,2 cm y el volumen al que
inicialmente se encuentra es de
70 cm 3 .
Según como el líquido se dilata progresivamente, después de un tiempo de 12,35 minutos la temperatura final es de 60°C, la longitud final que alcanzo el líquido en su proceso de dilatación es de 24,6 cm logrando determinar que el volumen alcanzado fue de 72,93
cm 3 . Posteriormente se
realizaron tres ensayos más que varían los datos y servirán para determinar los promedios de cada variable. Ensayo 2:
Tabla 2: Datos de la dilatación del ensayo 2 Elaborado por: Bryan Pinto Calispa
Ensayo 3:
6 2
v =π∗( 0.2 ) ∗0.7 v =0.087 cm
3
Este volumen es la primera variación de incremento en el paso de 19°C a 20°C; progresivamente se puede determinar las variaciones de volumen cada 5°C. Tabla 3: Datos de la dilatación del ensayo 3 Elaborado por: Bryan Pinto Calispa
La variación de la temperatura en el ensayo 1:
∆ T =Tf −Tₒ(6)
Ensayo 4:
∆ T =60−19
∆ T =41° C Para el coeficiente de dilatación en el ensayo 1, el volumen inicial es 70ml y la variación de temperatura es de 1°C: Tabla 4: Datos de la dilatación del ensayo 4 Elaborado por: Bryan Pinto Calispa
β=
ΔV Vₒ∗ΔT
Después de realizar los cuatro ensayos correspondientes y tomar los datos progresivamente cada 5°C, se puede visualizar un notorio cambio de temperatura y volumen.
β=
0.087 70∗1
6.
β=1. 0 24 x 10−3 ° C−1
CÁLCULOS
La variación de la longitud del líquido en el ensayo 1:
∆ l=lf −lₒ (6) ∆ l=24.6−1.2
∆ l=23.4 cm Con los datos obtenidos se puede determinar el volumen que va incrementando cada 5°C en el tubo capilar y esa variación puede ser calculada de la siguiente manera: El volumen de un cilindro se calcula en base del radio
r
y la altura h . En este caso se toma la
primera variación de altura del líquido que se dio entre el desfase de los 19°C hacia 20°C del ensayo 1.
v =π∗r 2∗h(7)
7. VARIABLES Las variables más importantes y que merecen ser destacadas son la variación de la longitud del líquido sobre el tubo capilar, así como la variación del volumen, variación de temperatura y el coeficiente de dilatación que se determinó con los datos. Ensayo 1: Parámetro Físico
Dimen sión
Variación de longitud
[L]
Variación de volumen Variación de temperatura Coeficiente de dilatación del liquido
[Lᵌ] [°T] [°T⁻¹]
Símb olo
∆l
ΔV ∆T
β
Valor
Unida des
23.4
cm
2.93
cmᵌ
41
°C −3
1.024 x 10
Tabla 5: Variables del ensayo 1 Elaborado por: Bryan Pinto Calispa
°C⁻¹
7 Análisis: En el ensayo 1 se ha determinado las diferentes variaciones de la longitud del líquido, la variación del volumen, temperatura y conjuntamente se puede visualizar el coeficiente de dilatación.
proporcionado por la fuente calorífica se concentrara en el fondo y no actuara progresivamente en todo el contenido del matraz.
Ensayo 2: Parámetro Físico
Dimens ión
Variación de longitud
[L]
Variación de volumen
[Lᵌ]
Variación de temperatura Coeficiente de dilatación del liquido
[°T] [°T⁻¹]
Símb olo
∆l ΔV
∆T β
Valor
Unida des
14.1
cm
1.757
cmᵌ
50
°C −4
4.937 x 10
°C⁻¹
Tabla 6: Variables del ensayo 2 Elaborado por: Bryan Pinto Calispa
Parámetro Físico
Dimens ión
Variación de longitud
[L]
Variación de volumen
[Lᵌ] [°T] [°T⁻¹]
Símb olo
∆l ΔV
∆T β
Valor
Unida des
14.2
cm
1.78
cmᵌ
45
°C
5.448 x 10−4
°C⁻¹
Tabla 7: Variables del ensayo 3 Elaborado por: Bryan Pinto Calispa Ensayo 4: Parámetro Físico
Dimens ión
Variación de longitud
[L]
Variación de volumen
[Lᵌ]
Variación de temperatura Coeficiente de dilatación del liquido
La dilatación de los líquidos depende directamente de la temperatura a la que esté sometido ya que en base a este fenómeno se puede visualizar la variación del volumen que va tomando el líquido en su proceso de dilatación.
BIBLIOGRAFÍA.
Ensayo 3:
Variación de temperatura Coeficiente de dilatación del liquido
La dilatación de los líquidos es muy diferente a la dilatación de otros materiales solidos o gases, estos líquidos pueden tener alta dilatación así como otros que tienen baja dilatación en el caso del diésel la dilatación es un poco alta por lo que a altas temperaturas este combustible aumenta su volumen y por ende su presión dentro del recipiente.
[°T] [°T⁻¹]
Símb olo
∆l ΔV
∆T β
Valor
Unida des
14.6
cm
1.52
cmᵌ
40
°C
5.34 x 10−4
°C⁻¹
Tabla 8: Variables del ensayo 4 Elaborado por: Bryan Pinto Calispa
[1]RODRIGUEZ, J. (s.f.). Introducción a la Termodinamica. Universidad Tecnologica Nacional. [2]CASTILLO, A. (2015). Monografios.com. Obtenido de Termometria y Dilatación: http://www.monografias.com/trabajos106/te rmometria-calorimetria-ydilatacion/termometria-calorimetria-ydilatacion.shtml [3]PROAÑO, D. (9 de Diciembre de 2015). Termometría y Dilatación. Obtenido de Calameo: http://es.calameo.com/read/00450874798c2 23af6dc4 [4]PROAÑO, D. (2016). Preparatorio de laboratorio de fisica. Latacunga: Dilatación de Líquidos.
[5] Electrotecnía. (24 de Marzo de 2013). Física de Electrotecnía. Obtenido de http://lafisicadeelectrotecnia.blogspot.com/ 2013/03/termometria-y-dilatacion.html [6] SERWAY, R. (1997). Física Tomo I (Cuarta ed.). Mexico: Ultra S.A.
8.
CONCLUSIONES
En la preparación de los ensayos una de las partes importantes del proceso es al introducir el matraz en el vaso de precipitación, es importante que el matraz no se asiente o toque al vaso ya que el calor
[7] OLMO, N. (s.f.). Punto de ebullición. Obtenido de Hyperphysics: http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/kinetic/vappre.html [8] JIMÉNEZ, T. (s.f.). Escalas Termométricas. Angeles Hernandez.
8 [9] CARBAJAL, A. (2009). Escalas Termométricas. Joaquin Romera. [10] Especifica, M. (s.f.). Diesel o Gasoil. Obtenido de RODES: https://www.rodes.com/mecanica/el-diesel-o-gasoil/ [11] Wikipedia. (7 de Junio de 2016). Gasóleo. Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Gas %C3%B3leo [12] AGUILAR, D. (6 de Junio de 2013). Trabajo Final. Obtenido de http://daniaguilarg.blogspot.com/2013_06_ 01_archive.html [13]CARBAJAL, A. (2009). Termométricas. Joaquin Romera.
Escalas
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[24] PROAÑO, D. (22 de Octubre de 2015). Propiedades Termicas de la Materia. Obtenido de Calameo: http://es.calameo.com/read/0008816179fab ed8ba162 [25] PROAÑO, D. (9 de Diciembre de 2015). Termometría y Dilatación. Obtenido de Calameo: http://es.calameo.com/read/00450874798c2 23af6dc4 [26]
RAMOS, FRANCISCO. (2008). Miraflores-Panamá: Macro EIRL.
Física.
[27] ROZO, L. (1 de Noviembre de 2012). El Termómetro. Obtenido de blogspot: http://termometroensi.blogspot.com/ [28] SERWAY, A., & JEWWET, J. (1982). Física para Ciencias e Ingeniería. En F. p. Ingeniería, Volumen 1. Material Chroniony prawem.
[15] Especifica, M. (s.f.). Diesel o Gasoil. Obtenido de RODES: https://www.rodes.com/mecanica/el-diesel-o-gasoil/
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[16]FAMI. (17 de Julio de 2015). Experimentos. Obtenido de http://www.xn-experimentosparanios-l7b.org/propiedadescoligativas-elevacion-del-punto-deebullicion/
9.
ANEXOS
[17] HEWITT, P. (1997). Conceptos de Físca. México: LIMUSA Editorial. [18] JIMÉNEZ, T. (s.f.). Escalas Termométricas. Angeles Hernandez. [19] JOETH. (26 de Marzo de 2012). Acuariomania. Obtenido de blogcindario: http://acuariomania.blogcindario.com/2012/ 03/00006-los-elementos-basicos-v.html [20] MEDINA, R. (s.f.). Termodinamica. Centro de fisica - IVIC. [21] MERIAM, J., & KRAIGE, L. (1998). Mecánica para Ingenieros. Barcelona: Reverté. [22] MULLER, E. (2002). Termodinámica Básica. Caracas: Kemiteknik C.A. [23] PASSAMONTI, L. (2 de Abril de 2015). Energía. Obtenido de blogspot: http://inta1a.blogspot.com/2015/04/calorenergia-en-transito.html
Fotografía 1: Armado del ensayo Elaborado por: Bryan Pinto Calispa
9
Reseña curricular del autor:
Fotografía 2: Ensayos Elaborado por: Bryan Pinto Calispa
Fotografía 3: Dilatación de líquidos Elaborado por: Bryan Pinto Calispa
Pinto C. Bryan Alexander (1996). Nació en el Cantón Rumiñahui el 28 de mayo de 1996. Los estudios primarios los realizo en la Escuela Inés Gangotena Jijón, su educación secundaria la realizo en el Colegio Técnico Dr. Telmo Hidalgo Díaz, graduándose de Técnico en Electromecánica Automotriz. Obtuvo un mérito académico en el colegio como primer escolta del pabellón Nacional. Actualmente se encuentra cursando el segundo semestre de Ingeniería Electromecánica en la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE extensión Latacunga.
