"DETERMINACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA"

Transcripción

1 EXPERIMENTO FA4 LABORATORIO DE FISICA AMBIENTAL "DETERMINACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA" MATERIAL: 1 (1) GENERADOR DE VAPOR. 2 (1) RECIPIENTE PARA HIELO. 3 (1) RECIPIENTE COLECTOR DE AGUA DE DESHIELO. 4 (1) RECIPIENTE COLECTOR DE AGUA DE CONDENSACIÓN. 5 (1) CRONÓMETRO DIGITAL. 6 (1) SOPORTE DE EXPERIMENTACIÓN. 7 (2) MUESTRAS DE ENSAYO (idénticas, una para medir su espesor la otra para hallar K). 8 (1) BALANZA. ESCALA (0,2610g). (D M0.1g). (COMPARTIDA). 10 (1) PIE DE REY. OBSERVACIONES: ANTES DE COMENZAR LA EXPERIENCIA, COMPROBAD QUE TODO EL MATERIAL QUE APARECE EN LA PRESENTE RELACION SE ENCUENTRA EN LA MESA DE TRABAJO. AL FINALIZAR DEJAR EL PUESTO ORDENADO Y LIMPIO VOLVIENDO A COMPROBAR QUE TODO EL MATERIAL ESTA EN SU LUGAR Y LISTO PARA SER UTILIZADO DE NUEVO. AL FINALIZAR LA EXPERIENCIA DESCONECTAD TODOS LOS APARATOS. TRAS UTILIZAR EL PIE DE REY DEJARLO SECO Y LIMPIO. ATENCION CON EL NIVEL DE AGUA EN EL GENERADOR DE VAPOR!. M.Ramos Página 1 11/03/02 1

2 EXPERIMENTO FA4 LABORATORIO DE FISICA AMBIENTAL "DETERMINACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA" I.- Introducción al experimento: La diferencia de temperaturas en distintos puntos de un sistema genera los procesos de intercambio de calor, que pueden ser debidos a tres mecanismos: conducción, convección y radiación. En esta experiencia vamos a estudiar el mecanismo de conducción en sólidos. La base matemática del proceso de conducción es la ley de "Fourier", cuyo enunciado, para sistemas unidimensionales de tamaño finito, caso de una lámina de espesor, h que se pueda considerar infinitamente extensa, es el siguiente: Si este material en forma de lámina plana, tal y como aparece en la figura 1, se encuentra en contacto con dos focos térmicos a diferente temperatura Tc (caliente) y Tf (frío) y ha alcanzado el régimen estacionario, la cantidad de calor por unidad de tiempo y superficie que atraviesa la placa será proporcional a la diferencia de temperaturas e inversamente proporcional a su espesor, dicha constante de proporcionalidad se denomina conductividad térmica, k, del material. Figura 1 Analíticamente el enunciado anterior se pude escribir de la siguiente forma: DQ Dt D ka T h (1) DQ- calor intercambiado en el tiempo Dt, entre el foco frío y el caliente (J). DT- diferencia de temperaturas entre los focos frío y el caliente (ºC). k- conductividad térmica (W/mºC). A- área de la sección transversal del bloque cilíndrico (m 2 ). h- espesor de la muestra (m). En función del valor de la conductividad térmica, los materiales se pueden clasificar en buenos conductores del calor, k elevadas o malos conductores k, pequeñas. M.Ramos Página 2 11/03/02 2

3 obtenemos: Para determinar el valor de la conductividad térmica, despejamos este parámetro en la ecuación (1) y k ( DQ) h A( DT )( Dt) (2) La técnica de medida de la conductividad térmica, que emplearemos en esta experiencia, se basa en la determinación experimental del flujo de calor que atraviesa la muestra situada en el soporte de experimentación, que mantiene al foco térmico, Tc a la temperatura constante de ebullición del agua haciendo circular vapor a su través, y el foco frío a la temperatura de fusión, también del agua, mediante un bloque de hielo en fusión que se sitúa en contacto térmico con la otra cara de la muestra, Tf. Además habrá que determinar el área de contacto entre el hielo y la muestra. Por lo tanto, mediremos las siguientes variables: - Espesor de la muestra, h de fácil determinación con un pie de rey. - La superficie de contacto entre el hielo y la muestra, A. Se hallará a partir de la medida del diámetro del bloque al inicio y final de la experiencia para reducir el error cometido. - El flujo de calor, D Q/D t, se determinará midiendo la masa de agua fundida en un intervalo de tiempo determinado. Esta medida se realizará en dos condiciones diferentes: 1.- Cuando el foco caliente esté a la temperatura ambiente. 2.- cuando el foco caliente está ya a la temperatura de ebullición. La diferencia entre estas dos cantidades será realmente el flujo de calor intercambiado a través de las superficies paralelas del material! - Diferencia de temperaturas (Tc-Tf) entre el foco caliente y frío. Esta diferencia será de aproximadamente 98.5ºC, dependiendo de las condiciones de presión atmosférica en las que se realice la experiencia. II.- Aparatos: En este experimento manejaréis los siguientes elementos. Para establecer los focos de temperatura constante, contaremos con un generador de vapor regulable ( ATENCION CON EL NIVEL DE AGUA EN EL GENERADOR DE VAPOR!), fijaos que tenga siempre agua en la caldera, no más de 3/4 partes de su capacidad. Se establecerá una temperatura en el foco caliente, Tc constante e igual a la temperatura de ebullición del agua en las condiciones de experimentación. El foco frío es mantenido a una temperatura próxima a 0ºC por medio del contacto con un bloque de hielo en fusión. Además, contáis con un cronómetro y una balanza para medir la masa de agua fundida en un intervalo de tiempo y por lo tanto el flujo de calor que atraviesa la muestra. espesor, h y diámetro del hielo contáis con un pie de rey. Para la determinación de las longitudes, Tenéis también el soporte de experimentación y otro material auxiliar encima de la mesa de trabajo. M.Ramos Página 3 11/03/02 3

4 III.- Método de Experimentación: a) Determinad el espesor de la muestra. Con ayuda del pie de rey se determina el espesor de la muestra con las que vais a trabajar, hay dos idénticas, una instalada en el soporte y otra suelta; emplead esta última para la medida del espesor de esta forma no hay que desarmar el soporte. Realizad 4 medidas, una en cada lado del cuadrado, e introducid en la tabla I el valor medio de las mismas con sus correspondientes errores estadísticos. Tipo de muestra h1 (mm) h2 (mm) h3 (mm) h4 (mm) Tabla I h ± Dh b) Determinad el coeficiente de fusión del hielo a temperatura ambiente. Cuando el bloque de hielo se mueva dentro de su molde, situarlo encima del soporte sobre la muestra (apoyando la parte más plana y observando que el contacto térmico sea correcto), proteged el bloque de hielo con su molde y espera a que se empiece a fundir y caiga agua en el recipiente situado al efecto. Mide el diámetro del bloque de hielo en este momento, d 1 y anotarlo en la tabla de resultados, tabla II. Limpia el vaso de recogida de agua de deshielo y activar el cronómetro para medir la cantidad de agua recogida, de fusión, por unidad de tiempo (realizar la experiencia durante unos 10 minutos). Anota, en la tabla II, el tiempo de duración de esta parte de la experiencia, t a y la masa de agua recogida m wa (para ello determinar previamente la masa del recipiente, para restarla posteriormente). Dispón los elementos de la experiencia tal y como aparecen en la figura 2. Figura 2 M.Ramos Página 4 11/03/02 4

5 c) Determina el flujo de calor a través de la muestra de ensayo. Conectar el generador de vapor, déjalo funcionar hasta que veas que comienza a salir vapor por el desagüe del foco caliente, pon un recipiente para recoger el agua de condensación. Una vez alcanzado régimen permanente, vacía el vaso colector de agua de fusión y mide el tiempo, tw, durante el que va a recoger agua en esta nueva condición (entre 5 y 10 minutos). Una vez terminada la experiencia mide la masa de agua fundida, m w con la balanza, así como, de nuevo, el diámetro del bloque de hielo, d 2, anota los resultados en la tabla II y tabla III. IV.- Resultados y Conclusiones: Rellena la tabla de resultados: Tipo de Material <h> D h d 1 D d 1 d 2 D d 2 t a D t a m wa D m wa t D t m w D m w (m) (m) (m) (s) (Kg) (s) (Kg) Tabla II Atención, las magnitudes han de escribirse en unidades del Sistema Internacional (SI). A partir de los resultados anteriores, realiza los siguientes cálculos: Ap Æ d/2æ 2 D A Ram wa /t a D Ra R m w /t D R R0 R - Ra D R0 (m 2 ) (Kg/s) (Kg/s) (Kg/s) Tabla III A partir de la ecuación (2) y teniendo en cuenta que el calor latente del agua en su transición de fase sólido-líquido es L J/Kg. Determina la conductividad térmica del material ensayado y el error cometido. M.Ramos Página 5 11/03/02 5

6 k ( R 0 L) h A( T ) Dk V.- Bibliografía: 1.- "Calor y Termodinámica". M. W. Zemansky y R. H. Dittiman. Ed. MacGraw Hill. 2.- "Física". Tomo 1. Tipler 3 ra Edición. De. Reverté. 3.- "Tratamiento Matematico de Datos". Spiridonov.- Ed. Mir. M.Ramos Página 6 11/03/02 6