ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL

INSTITUTO DE CIENCIAS FÍSICAS

LABORATORIO DE FÍSICA B

DILATACIÓN TÉRMICA

NOMBRE: Christian Lindao Fiallos

FECHA DE ENTREGA: 22 de Julio del 2011

PARALELO 9

I TÉRMINO 2011 – 2012

1.- OBJETIVOS:

Calcular experimentalmente el coeficiente de expansión lineal de varillas de diferentes materiales.

2.- RESUMEN:

La semana pasada armé la práctica de Dilatación Térmica, donde verifiqué el valor del coeficiente de dilatación térmica lineal para el cobre y el hierro; para ello usé un dispositivo sensor de cambios de longitudes en varillas, donde coloqué una varilla de cobre y luego una de hierro, luego en un extremo de la varilla ajusté un manguera conectada a un dispositivo generador de calor, y del otro extremo ajusté una fecha indicadora que coloqué debajo del punto de referencia que escogí en una regla del dispositivo y también coloqué un envase de vidrió justo debajo del extremo de la varilla; después de medir la temperatura del laboratorio, la longitud inicial de la varilla y llenar con agua el tarro del generador de calor, encendí el dispositivo de calor y esperé que el agua se evaporizara y luego que la fecha indicadora ya no se moviera , justo en ese instante medí la temperatura a la cuál salía el vapor de agua y la distancia Δx que indicó la fecha sobre la regla superior del dispositivo, después de realizar los cálculos respectivos obtuve un coeficiente de dilatación lineal para el cobre de 1.764x10-5 (°C-1) y para el hierro de 1.154x10-5 (°C-1), produciéndose un porcentaje de error de 3.77% y 3.83% respectivamente.

3.- INTRODUCCIÓN:

Dilatación térmica, es el aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por cualquier medio.

El cambio total de longitud de la dimensión lineal viene dado por la ecuación:

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

4.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

Medición del coeficiente de dilatación lineal de un sólido.

- Primero la profesora nos explicó el marco teórico sobre este experimento y también nos dijo unas recomendaciones al momento de armar el experimento, para quelas mediciones no tuviera un margen de error muy grande.

- Cogí un termómetro y tome la temperatura (T1°C) del laboratorio.- Coloqué un extremo de la varilla de cobre en la abertura del dispositivo para censar

cambios de longitud procurando que, en el otro extremo, una pequeña abertura quedase

justo debajo de la medición “0.0 cm” de la regla para medir la distancia “Δx”, la cual tomé como medición de referencia.

- Conecté en el extremo de la varilla sujeta al dispositivo, una manguera que provenía de un dispositivo generador de calor, procurando que la manguera quede bien sujeta para que no se escape el vapor de agua producido por el dispositivo generador de calor.

- Coloqué un pequeño envase de vidrio en el otro extremo de la varilla, justo a su salida, para que cuando salga el vapor de agua por la varilla y luego se condense, caiga sobre este envase y no produzca derrame de agua en la mesa de trabajo.

- En el mismo extremo de la varilla antes mencionado, coloqué un indicador tipo flecha justo en la abertura de la varilla que estaba colocada debajo de la medición “0.0 cm” para medir la distancia “Δx”.

- Con una regla, medí la longitud inicial de la varilla, desde la mitad del sujetador de la varilla hasta la pequeña abertura situada en el otro extremo de la varilla.

- Comprobé que la medición de la altura de la base de la varilla a la base del dispositivo sea 0.40 cm.

- Llené el tarro del dispositivo generador de calor con agua hasta la mitad de su capacidad y lo volví a colocar en el dispositivo.

- Encendí el dispositivo generador de calor y esperé aproximadamente 10 minutos hasta que el agua contenida en el tarro del dispositivo se evaporara y saliera por la varilla.

- Cuando la varilla comenzó a dilatar su longitud, la flecha indicadora también comenzó a marcar distancias mayores a la medición de referencia; esperé hasta que la flecha indicadora dejase de moverse y marque la distancia “Δx” en la regla superior del dispositivo.

- Justo después del paso anterior, medí con el termómetro la temperatura (T2°C) a la cuál salía el vapor de agua por el extremo de la varilla, dicha temperatura debía aproximarse a la temperatura de ebullición del agua.

- Repetí todo el procedimiento anterior, ahora con una varilla de hierro y anoté todos los datos medidos.

- Llené la tabla de la práctica y realicé todos los cálculos respectivos.

5.- RESULTADOS:

1. Observaciones y Datos

a) Medición del coeficiente de dilatación lineal de un sólido.

a1) Complete la tabla de datos mostrada.

Medí las longitudes iniciales de cada varilla, medí la temperatura inicial y final de cada una de ellas, anoté la distancia Δx para cada varilla y realice el cálculo de la distancia “е” que se dilato la varilla y obtuve la siguiente tabla:

Material L1± L1(mm) Δx± Δx(mm) e± e(mm) T1± T1(°C) T2± T2(°C)

Cu (495.0±0.5)(mm)

(31.0±0.5)(mm) (0.62±0.01)(mm)

(25.0±0.5)( °C) (96.0±0.5)( °C)

Fe (495.0±0.5)(mm)

(20.0±0.5)(mm) (0.40±0.01)(mm)

(25.0±0.5)( °C) (95.0±0.5)( °C)

Estos son los cálculos que realicé para encontrar “e”:

Cobre (Cu):

Hierro (Fe):

a2) Determine el incremento en la longitud de la barra (L2).

Cobre (Cu):

Hierro (Fe):

a3) Obtenga el coeficiente de dilatación lineal de la varilla utilizada en esta práctica.

Cobre (Cu):

Hierro (Fe):

2. Análisis

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

La primera varilla estaba hecha de cobre debido a que el coeficiente de dilatación experimental

era aproximadamente igual al coeficiente de dilatación del Cobre (Cu) ( x10-5 ≈1.7 x10-5) (°C-1). Mientras que la segunda varilla estaba hecha de hierro porque el coeficiente de dilatación experimental era aproximadamente igual al coeficiente de dilatación del Hierro (Fe)

( x10-5 ≈1.2 x10-5) (°C-1).

b) Encuentre la diferencia relativa entre el valor teórico y el valor experimental del coeficiente de dilatación lineal. Utilice la diferencia %=[(Teo – Exp)(100)]/Teo.

Cobre (Cu):

Hierro (Fe):

c) Tomando en cuenta el aparato que utilizó, señale por qué no se obtuvo una concordancia exacta en la pregunta anterior.

Debido a que el calor proporcionado por el vapor de agua, no se distribuía equitativamente para todas las partes de la varilla, ya que a medida que el vapor avanzaba por dentro de la

varilla, la temperatura del vapor disminuía y no producía un efecto menor de dilatación para las partes medias y finales de la varilla.

d) Indique alguna aplicación práctica de utilizar una varilla bimetálica.

Como contacto eléctrico, ya que combinaría dos tipos de metales que expuestos a una determinada temperatura se dilaten lo suficiente para cerrar un circuito eléctrico externo y envíe una señal que se alcanzó una determinada temperatura.

e) ¿Por qué no es conveniente llenar completamente el tanque de gasolina de un automóvil?

Porque si el auto pasa a un ambiente de temperatura menor que el ambiente donde se llenó completamente el tanque de gasolina, experimentaría una contracción en su volumen, lo que derramaría gasolina al interior del auto y si es expuesto a fuego, produciría una explosión.

6.- DISCUSIÓN:

En el experimento, cuando sometí la varilla de cobre a vapor de agua obtuve una dilatación longitudinal de 0.62 mm, mientras que cuando sometí la varilla de hierro a vapor de agua obtuve una dilatación longitudinal de 0.40 mm; la dilatación longitudinal de la varilla de cobre fue mayor a la varilla de hierro debido a que las moléculas de cobre adquieren más energía interna que las moléculas de hierro cuando se someten al calor, lo que hizo que las moléculas de cobre adquieran más energía cinética y vibraran con mayor intensidad y así aumenten mayormente la distancia media entre ellas que la distancia entre las moléculas de la varilla de hierro.

7.- CONCLUSIÓN:

En esta práctica pude comprobar que el coeficiente de dilatación térmica lineal para cada tipo de material no es igual para todos, ya que es una magnitud que depende esencialmente de la cantidad de energía que adquieran o pierdan sus moléculas por los cambios de temperatura a la cuál estén sometidos.

Si un cuerpo de un material específico experimenta un cambio de temperatura positivo (De menor a mayor temperatura), el cuerpo aumentará sus dimensiones (en el caso de las varillas, aumentarán su longitud total); y si el cuerpo es sometido a un cambio de temperatura negativo (De mayor a menor temperatura), el cuerpo reducirá sus dimensiones (en una varilla disminuiría su longitud total).

En esta práctica obtuve un coeficiente de dilatación lineal para el cobre de 1.764x10 -5 (°C-1) y para el hierro un coeficiente de 1.154x10-5 (°C-1), los cuales fueron valores muy aproximados a los valores teóricos para el cobre y el hierro respectivamente (1.7x10-5 (°C-1) y 1.2x10-5 (°C-1)), obteniéndose un error de aproximadamente 3.77% para el coeficiente del cobre y 3.83% para el coeficiente del hierro, lo que significa que la práctica es calificada como muy buena, y que las

condiciones en las que hice la práctica y el estado de los dispositivos eran aceptables; una de las posibles causas de este error fue la no uniforme distribución del calor producido por el vapor de agua para todas las partes de cada varilla, lo que ocasiono que algunas partes de la varilla estén más dilatadas que otras ocasionando una dilatación no uniforme.

8.- BIBLIOGRAFÍA:

Guía de Laboratorio de Física B, 2011

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