ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORALINSTITUTO DE CIENCIAS FÍSICAS

LABORATORIO DE FISICA B

Profesor:

Ing. Bolívar Flores

Título de la práctica:

Dilatación Térmica

Nombre:

Nelson Chiriboga Cedeño

Fecha de entrega del informe:

Martes, 14 de diciembre del 2010

Paralelo:

5

Año:

2010-2011

RESUMEN

Cabe señalar que cada cuerpo al elevar su temperatura sufre pequeños cambios en su comportamiento molecular, que hace que su volumen o longitud varíe en un lapso de tiempo determinado.En la práctica de dilatación térmica se buscó obtener un coeficiente de expansión, propio de cada material, con el procedimiento de laboratorio y los utensilios respectivos. Después se tomaran los resultados y se los someterá a un análisis para obtener las conclusiones respectivas.Al final se responderán interrogantes sobre el tema y se encontrara la precisión de nuestro trabajo de laboratorio.

OBJETIVOS

Determinar el coeficiente de expansión lineal de varillas de diferentes materiales.

INTRODUCCIÓN

Casi todos los sólidos se dilatan cuando se calientan, e inversamente se encogen al enfriarse. Esta dilatación o contracción es pequeña, pero sus consecuencias son importantes. Un puente de metal de 50 m. de largo que pase de 0° a 50 podrá aumentar unos 12 cm. de longitud; si sus extremos son fijos se engendrarán tensiones sumamente peligrosas. Por eso se suele montarlos sobre rodillos como muestra la ilustración. En las vías del ferrocarril se procura dejar un espacio entre los rieles por la misma razón; este intersticio es el causante del traqueteo de los vagones.

¿POR QUÉ SE DILATAN LAS SUSTANCIAS CON LA TEMPERATURA?

La temperatura no es más que la expresión del grado de agitación de las partículas o moléculas de una sustancia. Cuando se da calor a un sólido se está dando energía a sus moléculas; éstas, estimuladas, vibran más enérgicamente. Es cierto que no varían de volumen; pero se labran un espacio más grande para su mayor oscilación, de manera que al aumentar la distancia entre molécula y molécula el sólido concluye por dilatarse. La fuerza que se ejerce en estos casos es enorme.

ALGUNAS APLICACIONES

La dilatación térmica puede aprovecharse. El aluminio, por ejemplo, se dilata dos veces más que el hierro. Si soldamos en una barra dos tiras paralelas de estos metales y la calentamos, la mayor dilatación del aluminio hará que la barra se doble hacia un lado; y si la enfriamos ocurrirá exactamente al contrario. Habremos fabricado así un termómetro que puede señalarnos las temperaturas y, en ciertos casos, un termostato, como muestra la ilustración.

La dilatación tiene aplicaciones industriales. El cilindro debe ajustar perfectamente en su camisa. Para colocarlo se lo enfría en oxígeno líquido; se lo coloca mientras está contraído, y al dilatarse y recuperar la temperatura ambiente queda firmemente sujeto en su lugar.

Existen así muchos disyuntores, que cortan la corriente eléctrica, o aparatos que desencadenan algún otro proceso, cuando la temperatura llega a un punto crítico.

MEDIDA DE LA DILATACIÓN

Dilatación lineal

El coeficiente de dilatación lineal, designada por αL, para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después de cierto cambio de temperatura como:

Donde ΔL, es el incremento de su integridad física cuando se aplica un pequeño cambio global y uniforme de temperatura ΔT a todo el cuerpo. El cambio total de longitud de la dimensión lineal que se considere, puede despejarse de la ecuación anterior:

Donde:α=coeficiente de dilatación lineal [°C-1]L0 = Longitud inicialLf = Longitud finalT0 = Temperatura inicial.Tf = Temperatura final

Dilatación volumétrica

Es el coeficiente de dilatación volumétrico, designado por αV, se mide experimentalmente comparando el valor del volumen total de un cuerpo antes y después de cierto cambio de temperatura como, y se encuentra que en primera aproximación viene dado por:

Experimentalmente se encuentra que un sólido isótropo tiene un coeficiente de dilatación volumétrico que es aproximadamente tres veces el coeficiente de dilatación lineal. Esto puede probarse a partir de la teoría de la elasticidad lineal. Por ejemplo si se considera un pequeño prisma rectangular (de dimensiones: Lx, Ly y Lz), y se somete a un incremento uniforme de temperatura, el cambio de volumen vendrá dado por el cambio de dimensiones lineales en cada dirección:

Esta última relación prueba que , es decir, el coeficiente de dilatación volumétrico es numéricamente unas 3 veces el coeficiente de dilatación lineal de una barra del mismo material.

ALGUNAS RESPUESTAS

• En las carreteras de hormigón o en los embaldosados de gran tamaño se ven, a intervalos regulares líneas de material asfáltíco destinadas a absorber las dilataciones producidas por el calor; de otro modo la construcción saltaría en pedazos en los días de mucho sol.

• El vidrio común es un mal conductor del calor y se dilata apreciablemente; si echamos agua hirviendo en un vaso grueso, la parte interior se calienta y expande, mientras la parte exterior queda fría y encogida, de modo que el recipiente se rompe. Si previamente, colocamos una cucharilla capaz de absorber el calor, neutralizaremos en parte la brusquedad del ataque y, posiblemente, salvaremos el vaso.

• El vidrio pirex se usa para cambios bruscos de tempetatura, simplemente porque su coeficiente (le dilatación es muy bajo y se libra así del peligro de ruptura.

• Los líquidos se dilatan más que los sólidos: el mercurio sube en el termómetro porque se dilata más que el recipiente de vidrio que lo contiene. • Los gases, cuyas moléculas son más libres, tienden a dilatarse más que los líquidos.

• Cuando se necesita unir vidrio con metal, como en los tubos de vacío, se usa el kovar que, además de hierro, contiene 29 % de níquel y 17 % de cobalto y su dilatación es idéntica a la del vidrio.

• La aleación invar, que además del hierro contiene 36 % de níquel y 0,15 % de carbono, es prácticamente insensible a los cambios de temperatura; se la emplea en trabajos de geodesia, en ‘péndulos de compensación, en relojes de gran precisión, en patrones de longitud y en muchos instrumentos de medida.

• Hay una serie llamada ni-span que contiene níquel y titanio. Una de ellas se dilata muy poco, como el invar; otra variedad se dilata muchísimo; y la tercera mantiene su módulo de elasticidad (es sabido que el calor afecta mucho la resistencia de los metales) y se la usa, por lo tanto, en resortes para instrumentos de precisión. • Los proyectiles teledirigidos, que emplean materiales de cerámicas, usan también la aleación kovar.

• La corriente eléctrica calienta los cables o los conductores porque los electrones chocan contra las moléculas, las agitan y la temperatura no es más que el grado de actividad de dichas moléculas.

• Para transportar grandes cantidades de electricidad desde las centrales se usa alto voltaje con el fin de bajar la intensidad, porque es la cantidad de electrones la que provoca el mayor calor y no el voltaje que se aplica. O La fricción calienta porque tiende a desplazar las partículas que rozan y éstas reaccionan vibrando. Los campos magnéticos oscilantes que cambian miles o millones de veces por segundo de orientación, provocan cambios en la dirección de las órbitas de los átomos y concluyen provocando una agitación interna que se manifiesta por una mayor temperatura.

El período de oscilación de un péndulo varía con su longitud; entonces se procura que ésta sea invariable utilizando materiales cuyas respectivas dilataciones se contrapesan. En la ilustración el equilibrio se obtiene así: el cinc, que proporcionalmente se expande más, es más corto que la borro de modero, menos variable. En definitivo, los dos dilataciones opuestos se anulan y la oscilación del péndulo es uniforme, o pesar de los cambios de temperatura o que puedo estor expuesto.

PROCEDIMIENTO

Colocamos la primera varilla metálica en el soporte del dispositivo la ajustamos y tomamos la medida de la varilla, del extremo sujetado hasta el otro. Este será nuestra longitud inicial (L1).

En el recipiente que contiene agua lo empezamos a calentar y el agua en forma de gas pasara a través de una manguera que conecta a este recipiente con la parte interior de la varilla, provocando así que esta empiece a dilatarse.

Cuando observemos en el indicador que la varilla ha alcanzado su máxima dilatación, es decir que ya no sigue incrementándose medimos con el termómetro a que temperatura se encuentra y la anotamos en la tala como temperatura final.

Ahora conociendo estos datos podemos ya calcular el incremento de longitud de la barra y a su vez el coeficiente de dilatación lineal. Anotamos los valores obtenidos en la tabla y procedemos a hacer lo mismo con la segunda barra.

Cuando ya conozcamos el coeficiente de dilatación para ambas barras, las comparamos con una tabla de coeficientes y elementos para poder identificar cuáles fueron los materiales con los que trabajamos.

Realizamos el cálculo de error para cada una de las mediciones obtenidas y respondemos las preguntas que se citan en esta práctica.

RESULTADOS

1. Observaciones y datos.a. Medición del coeficiente de dilatación lineal de un sólido.b. Complete la tabla de datos.

Material L1(mm) Δx(mm) e(mm) T1(°C) T2(°C)Cu 493 34 0,68 24 93Fe 493 21 0,42 24 93

c. Determine el incremento en la longitud de la barra (e).

ECu=¿ 1

50∆ X¿

ECu=¿ 1

5034=0.68¿

EFe=¿ 1

50∆ X ¿

EFe=¿ 1

500.42¿

d. Obtenga el coeficiente de dilatación lineal de la varilla utilizada en esta práctica.

α= ∆ LL0∆T

αCu=∆ LL0∆T

αCu=0.68493(69)

=19x 10−6 1°C

αFe=∆ LL0∆T

αFe=0.48493(69)

=12.3 x10−6 1° C

δα=| 1Lo∆T |δ∆ L+|∆ L∆T |δ Lo+|∆ LLo |δ∆T

δαCu=| 1493(69)|0.01+|0.6869 |1+|0.68493 |1=1.12x10−2

δα Fe=| 1493(69)|0.01+|0.4269 |1+|0.42493 |1=6.93x 10−3

δαCu=(19x 10−6 1° C ±1.12 x10−2)δα Fe=(12.3 x10−6 1

°C±6.93 x10−3)

2. Análisis.a. De acuerdo a los resultados obtenidos, ¿de qué metal está hecha la varilla? Explique.

Las varillas son de Cobre y Hierro respectivamente.b. Encuentre la diferencia relativa entre el valor teorico y el valor experimentaldel coeficiente

de dilatación lineal.

|VTCu−VECuVT Cu |∗100=¿

|17 x10−6−19 x10−6

17 x10−6 |∗100=11.76%|VT−VEVT |∗100=¿

|12x 10−6−12.3x 10−612x 10−6 |∗100=2.5%

c. Tomando en cuenta el aparato que utilizo, señale por qué no se obtuvo una concordancia exacta en la pregunta anterior.Debido a fallas humanas que se encuentran dentro de los parámetros del experimento, como toma equivocada de temperatura

d. Indique alguna aplicación práctica de utilizar una varilla bimetálica.La protección térmica de algún aparato. Un motor por ejemplo, las varillas pueden formar parte de un circuito eléctrico, y al calentarse y expandirse pueden romper el circuito como medida de seguridad y evitar el daño del motor.

e. ¿Por qué no es conveniente llenar completamente el tanque de gasolina de un automóvil?Porque la gasolina tiene un coeficiente de expansión muy alto, debido a que es un líquido, y al calentarse se expande bastante. Si llenamos al topa un tanque, se derramaría la gasolina.

FOTOS PRÁCTICA

CONCLUSIONES:

Las conclusiones que nos dejo esta práctica fueron: la obtención de un porcentaje de error aceptable, con 11.76% para el coeficiente del Cobre y un 2.5% para el coeficiente del Hierro. Pudimos identificar el material del que estaba compuesta la varilla, comparando los valores de los coeficientes y observando las características físicas de las varillas. Aprendimos sobre las aplicaciones de la dilatación térmica en la industria, en los hogares y en nuestro diario vivir.

BIBLIOGRAFIA:

Guía de Laboratorio de Física B.

http://es.wikipedia.org/wiki/Dilataci%C3%B3n_t%C3%A9rmica

http://www.portalplanetasedna.com.ar/dilatacion.htm