ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORALINSTITUTO DE CIENCIAS FÍSICAS

LABORATORIO DE FISICA B

Profesor:

Ing. Bolívar Flores

Título de la práctica:

Conductividad Térmica

Nombre:

Nelson Chiriboga Cedeño

Fecha de entrega del informe:

Martes, 18 de enero del 2011

Paralelo:

5

Año:

2010-2011

RESUMEN

En la práctica correspondiente a conductividad térmica, nos enfocamos en 2 experimentos que nos demuestran el flujo de calor entre diversos materiales. Utilizamos la lata para absorber el calor que recibía el papel, haciendo que no sufra ningún daño este ultimo. Un proceso similar se realizó con un hilo pero este se rompió. El área jugo un papel importante en esta parte. Luego procedimos a realizar un experimento con alambres de cobre y hierro, que determinó el mayor flujo de calor en el cobre. Al final de la practica despejamos una formula de una esfera para la conductividad y analizamos las preguntas del folleto.

OBJETIVOS

Analizar la capacidad de conducción del calor de diferentes materiales

INTRODUCCIÓN

Conductividad térmicaLa conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a substancias con las que está en contacto. En el Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en W/ (K·m). También se lo expresa en J/(s·°C·m)La conductividad térmica es una magnitud intensiva. Su magnitud inversa es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

Origen molecular de la conductividad

Cuando se calienta la materia la energía cinética promedio de sus moléculas aumenta, incrementándose su nivel de agitación. La conducción de calor, que a nivel macroscópico puede modelizarse mediante la ley de Fourier, a nivel molecular se debe a la interacción entre las moléculas que intercambian energía cinética sin producir movimientos globales de materia. Por tanto la conducción térmica difiere de la convección térmica en el hecho de que en la primera no existen movimientos macroscópicos de materia, que sí ocurren en el segundo fenómeno. Todas las formas de materia condensada tienen la posibilidad de transferir calor mediante conducción térmica, mientras que la convección térmica en general sólo resulta posible en líquidos y gases. De hecho los sólidos transfieren calor básicamente por conducción térmica, mientras que para gradientes de temperatura importante los líquidos y los gases transfieren la mayor parte del calor por convección.

Conductividades térmicas de los materiales

La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de transmitir el calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, es baja en polímeros, y muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se

denominan por ello aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío bajo.En algunos procesos industriales se busca maximizar la conducción de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad, bien configuraciones con una gran área de contacto, o ambas cosas. Ejemplos de esto son los disipadores y los intercambiadores de calor. En otros casos el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones con poco área de contacto.

1. La colisión con un electrón induce un estado excitado vibratorio en el nitrógeno. Como el nitrógeno es una molécula homonuclear no pierde su energía por la emisión de un fotón y por lo tanto sus niveles de excitación vibratoria son metaestables y tienen un gran periodo de vida.

2. La transferencia de la energía de colisión entre el nitrógeno y el dióxido de carbono induce una excitación vibratoria del dióxido de carbono con la suficiente energía para impulsar la inversión de población deseada para el funcionamiento del láser generando la conductividad térmica.

3. Las moléculas permanecen en un estado excitado inferior. El retorno a su estado fundamental se hace mediante las colisiones con los átomos de helio frío. Los átomos de helio excitado por el choque deben ser enfriados para mantener su capacidad de producir una inversión de población de las moléculas de dióxido de carbono. En los láseres de ampolla sellada, la refrigeración se realiza por intercambio de calor cuando los átomos de helio rebotan en la pared fría de la ampolla.

La tabla que se muestra a continuación se refiere a la capacidad de ciertos materiales para transmitir el calor. El coeficiente de conductividad térmica (λ) caracteriza la cantidad de calor necesario por m2, para que atravesando durante la unidad de tiempo, 1 m de material homogéneo obtenga una diferencia de 1 °C de temperatura entre las dos caras. Es una propiedad intrínseca de cada material que varía en función de la temperatura a la que se efectúa la medida, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 Kcon el objeto de poder comparar unos elementos con otros. Es un mecanismo molecular de transferencia de calor que ocurre por la excitación de las moléculas. Se presenta en todos los estados de la materia pero predomina en los sólidos.

Coeficiente de conductividad térmicaEl coeficiente de conductividad térmica es una caraterística de cada sustancia y expresa la magnitud de su capacidad de conducir el calor. Su símbolo es la letra griega λ.En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se mide en vatio / metro × kelvin (W/(m·K)), en kilocaloría / hora × metro × kelvin (kcal/(h·m·K)), en el sistema técnico y en BTU / hora × pie× Fahrenheit (BTU/(h·ft·ºF)), en el sistema anglosajón.El coeficiente de conductividad térmica expresa la cantidad o flujo de calor que pasa a través de la unidad de superficie de una muestra del material, de extensión infinita, carasplanoparalelas y espesor unidad, cuando entre sus caras se establece una diferencia de temperaturas igual a la unidad, en condiciones estacionarias.

Este coeficiente varía con las condiciones del material (humedad que contiene, temperatura a la que se hace la medición), por lo que se fijan condiciones para hacerlo, generalmente para material seco y 15ºC (temperatura media de trabajo de los materiales de construcción) y en otras ocasiones, 300 K (26,84 ºC).

PROCEDIMIENTO

Conductividad del Calor

1. Pegar un pedacito de papel sobre una lata y enrollar en ella un hilo de coser.2. Acercar un fósforo encendido al papel y al hilo (figura 2).Registre sus observaciones en el

informe de esta practica.

Conductividad de diferentes materiales

1. Enrolle los alambres de hierro y cobre por uno de sus extremos, como muestra la figura tres. Los alambres deben tener la misma longitud en el tramo donde se colocara la plastilina.

2. Coloque pequeños trozos de plastilina a lo largo de los extremos libres de los alambres de hierro y cobre. Es preferible que se guarde una misma separación entre cada trozo de plastilina.

3. Caliente con una flama la parte enrollada de los alambres. El calor se transmitirá, por conducción, a lo largo de los hilos metálicos, produciendo la fusión de la plastilina.

4. Registre sus observaciones.

RESULTADOS

1. Observaciones y datos.

Escriba sus observaciones acerca de los experimentos realizados en esta práctica.

a. Conductividad del Calor.Lata-papel: el papel se oscurece, mas no se quema.Lata-hilo: el hilo se rompe.

b. Conductividad de diferentes materiales.La plastilina se derrite del lado del cobre más rápido que la del lado del hierro.

c. Demostración de conductividad térmica usando el método de placa simple.

H=−KA dTdx

Hdx=−KAdT

H∫0

L

dx=−KA [−∫T 2T 1

dT ]H (L−0 )=KA(T 1−T 2)

H=KA (T 1−T 2)

L

2. Análisis.a. ¿Por qué el papel y el hilo tienen el comportamiento observado?

Porque el papel tiene más área que el hilo y esto permite más flujo de calor. Esto hace que no retenga calor a diferencia del hilo.

b. ¿Qué ocurriría si el papel y el hilo se enrollan alrededor de un pedazo de madera? Explique.La lata absorbe el calor, pero la madera no es buen conductor, y el papel al no tener a quien conducir calor se quema, retiene el calor.

c. ¿Cuál de los metales utilizados tiene el mayor coeficiente de conductividad? Explique.El cobre, debido a que la parte con plastilina se quema primero a diferencia del alambre de hierro.

d. Un bloque de metal y uno de madera se encuentran a 10ºC ¿Por qué al tocar los dos bloques, el de metal parece más frío que el de madera?Porque el metal es mejor conductor de calor a diferencia de la madera.

e. Los británicos utilizan una unidad de calor denominada Btu. En el comercio se venden acondicionadores de 12000 Btu. ¿Es correcta esta expresión?Está mal porque H=Q/t, esto indica que se debe expresar el flujo de calor con el intervalo respectivo de tiempo. 12000 Btu es el flujo de calor pero no se indica en que tiempo se da, por consiguiente este dato es erróneo.

*Demostración en una esfera hueca.

H=−KA dTdx

H=−K (4 π r2) dTdr

Hdr

r2=−K 4 πdT

H∫r1

r2dr

r2=−4 πK∫

T1

T2

dT

H−∫r 2

r 1

r−2=−4 πK−∫T2

T1

dT

H ( 1r1− 1r2 )=4 πK (T1−T2)

H ( r2−r 1r2 r1 )=4 πK (T1−T 2)

H=4 πK (T 1−T 2)(r¿¿2 r1)r2−r1

¿

FOTOS PRÁCTICA

CONCLUSIONES:

Las conclusiones que nos dejó esta práctica fueron: el área juega un papel importante en la conductividad térmica, demostrado con el experimento de la lata, el papel de mayor área que el hilo permite el flujo de calor de manera más eficiente que el hilo, que retiene más calor y sufre daños. También demostramos que el cobre es mejor conductor de calor que el hierro, ya que el alambre de cobre derretía primero la plastilina y el hierro demoró más.

BIBLIOGRAFIA:

Guía de Laboratorio de Física B.

http://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_t%C3%A9rmica

http://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_conductividad_t%C3%A9rmica