Dilatación térmica, por Bryan Puero, Alejandro Delgado, Amanda Onofrey Juan Galarza
En esta práctica realizamos una serie de experimentos los cuales nos ayudaran en la determinación de los coeficientes de dilatación térmica. Con la ayuda de diferentes equipos como el vaporizador pudimos experimentar con los diferentes materiales que nos requerían en esta práctica. Los datos que conseguíamos eran datos con valores muy pequeños en los que pudimos notar q una o dos centésimas realizaban un cambio muy importante en nuestro resultado; entonces aquí podemos notar la importancia de realizar correctamente las mediciones y establecer un nivel de referencia fijo, encerándolo correctamente en cada fluido.
Objetivos:
Calcular experimentalmente el coeficiente de expansión lineal de varillas de diferentes materiales.
Introducción
La materia se expande cuando es calentada y se contrae cuando es enfriada. La cantidad de expansión es considerable en los gases, es apreciable en los líquidos y pequeña en los sólidos. Sin embargo, aún en los sólidos la cantidad de expansión es de tal magnitud que no puede ser despreciada en el diseño de maquinaria y aparatos industriales, particularmente si se espera sea considerable la variación de temperatura. Este fenómeno se explica por la teoría de la Energía Cinética Molecular de la Materia. De acuerdo con esta teoría la energía cinética (y por lo tanto la velocidad) de las moléculas de una sustancia se incrementa con el incremento de la temperatura, si las moléculas adquieren gran energía se mueven con gran velocidad y chocan unas otras violentamente dando como resultado que su distancia media resulte aumentada.] El volumen, el área o la longitud del material entonces se incrementa con la temperatura. En un sólido las moléculas tienen una posición razonablemente fija dentro de él. Cada átomo de la red cristalina vibra sometido a una fuerza asociada a un pozo de potencial, la amplitud del movimiento dentro de dicho pozo dependerá de la energía total de átomo o molécula. Al absorber calor, la energía cinética promedio de las moléculas aumenta y con ella la amplitud media del movimiento vibracional (ya que la energía total será mayor tras la absorción de calor). El efecto combinado de este incremento es lo que da el aumento de volumen del cuerpo. En los gases el fenómeno es diferente, ya que la absorción de calor aumenta la energía cinética media de las moléculas lo cual hace que la presión sobre las paredes del recipiente aumente. El volumen final por tanto dependerá en mucha mayor medida del comportamiento de las paredes.
En la figura sea L1 la longitud de la varilla de metal a la temperatura inicial T1 y L2 su longitud a alguna temperatura T2. El coeficiente de expansión lineal definido como el cambio en longitud por unidad de la longitud original por cambio en grados de la temperatura.
Expresado como una fórmula:
Se utilizó un termómetro de mercurio para medir las diferentes temperaturas, fabricaron aprovechando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefería el uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible. El metal base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada.
También un generador de vapor, el cual mediante un calentador, procede a elevar la temperatura del liquido que en este caso fue agua, y al momento de llegar al punto de ebullición del mismo, pasa el vapor por un conducto que va hasta la varilla, elevando la temperatura del mismo.
Por último se aprovecho el principio de semejanzas de triángulos expresado en líneas más arriba, que consiste en el cálculo de valores e más visibles para el ojo humano, para por medio de este principio, calcular el verdadero cambio de longitud.
Procedimiento Experimental
Se midió la longitud inicial de la varilla L1 que va desde el punto donde se sujeta la varilla al lado izquierdo, hasta donde se encuentra el gancho embonado y la registramos en la tabla de datos a1).
Tomamos la lectura inicial T1 de la temperatura ambiente.
Se encero la escala; (Prácticamente se tomó un nivel de referencia que no necesariamente fue el 0, sino un valor que permita observar el cambio de longitud).
Como ya está colocada la manguera del generador en la varilla en el paso 1, solo se procedió a conectar el generador de vapor.
Esperamos hasta que el agua del mismo este en punto de ebullición, después genera vapor y volvemos a esperar hasta que se observó un cambio de longitud en la varilla llamado (x.
Cuando (x ya quede fijo, anotamos este valor en la tabla de datos a1).
Mientras (x es fijo, también anotamos la temperatura T2 del desfogue de la varilla y al anotamos en la tabla a1).
Repetimos el mismo procedimiento para la otra varilla.
Con los datos tomados directamente, se calculó los valores "e" de cada material y lso anotamos en la tabla a1).
Con la formula definida enteramente, Procedemos a realizar los cálculos de ( para el primer material y para el segundo con su respectiva incertidumbre.
Resultados
Material 1.
Material 2.
Material 3.
Tabla de resultados:
Coeficientes de dilatación lineal de la barra:
Cobre
Hierro
Vidrio
Diferencias Relativas:
Cobre:
Hierro:
Vidrio:
Momento en el que notábamos como empezaba a dilatarse la varilla, y como enseguida se empezaba a mover el indicador.
Imagen que muestra como ensamblar correctamente el equipo de trabajo
Discusión
A lo largo de esta practica no es muy difícil notar la lo ya antes dicho, la importancia de las mediciones y el proceso tomar correctamente todas las mediciones.
En el experimento con el material donde determinamos el coeficiente de dilatación térmica del cobre que fue de 1.91 obtuvimos un error de practica aproximado del 2.67% lo cual lo podemos considerar un éxito, esto se debe al correcto uso del sistema de referencia y de haber tenido una muy buena precisión al haber colocado los materiales.
En el segundo experimento obtuvimos el coeficiente de dilatación térmica de Hierro q fue 1.42, este resultado nos dio un error de 11.36% el cual es un poco alto para mis gustos, aunque este error esta dentro del rango permitido y podemos decir q también lo hemos realizado de manera correcta.
En el tercer experimento calculamos el coeficiente de dilatación térmica del Vidrio q fue de 0.80 y obtuvimos un error de 11.36% lo cual es considerado como un éxito; en esta parte de la practica volvemos a notar la precisión q tuvo el equipo de trabajo al tomar los datos y en nivelar nuestros niveles.
Es importante resaltar una vez mas que el equipo tiene la capacidad de realizar muy buenos trabajos y así lo podemos notar en los experimentos donde hicimos los cálculos con la ayuda del vaporizador que con el calor dilato nuestro material. Nosotros tuvimos errores en el tercer y segundo experimento y esto lo pudimos notar al realizar las comparaciones relativas con respecto al valor teórico. Incluso cuando realizábamos el experimento con el vidrio unos de los integrantes golpeo el sistema, generando que se mueva todo incluyendo nuestro sistema de medición sin embargo el error al parecer no fue de gravedad ya que el error obtenido no fue tan grande y nuestro resultado experimental no se aleja mucho del teórico. En nuestro laboratorio no hay tiempo para errores y tuvimos que tratar de corregir rápidamente estos para poder continuar con la practica y poder cumplir con los objetivos propuestos.
Conclusiones
En base al desarrollo de la práctica y al resultado de la misma, podemos concluir lo siguiente:
Se calculó experimentalmente el coeficiente de expansión
lineal de varillas de diferentes materiales.También se resolvió que el coeficiente de expansión lineal actúa como una constante en la relación de la variación de temperatura y la variación de longitud, en donde la formula ?L=??T es una fórmula válida para una varilla de cualquier material.
Se observó que la varilla de cobre tiene un coeficiente de expansión lineal mayor que el de hierro, y también su incremento de longitud fue mayor.
Se dedujo que al aumentar el incremento de temperatura, se incrementa la longitud de una varilla, pero el coeficiente de expansión lineal es constante.
Los porcentajes de errores fueron de 2.67 %, 11.36%, y 11.11 del cobre, hierro y vidrio respectivamente, con esto concluimos que la practica fue un éxito, ya que logramos porcentajes no muy altos, no exactos pero muy aproximados
Bibliografía
Guía de Laboratorio de Física B, ESPOL, 2012
Enviado por:
Ing.+Lic. Yunior Andrés Castillo S.
"NO A LA CULTURA DEL SECRETO, SI A LA LIBERTAD DE INFORMACION"®
www.monografias.com/usuario/perfiles/ing_lic_yunior_andra_s_castillo_s/monografias
Santiago de los Caballeros,
República Dominicana,
2015.
"DIOS, JUAN PABLO DUARTE Y JUAN BOSCH -POR SIEMPRE"®