LABORATORIO 9: COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL

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1 UNIVERSIDAD DON BOSCO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICA LABORATORIO DE FISICA ASIGNATURA: FISICA TECNICA I. OBJETIVO GENERAL LABORATORIO 9: COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL Determinar la relación entre los cambios de longitud y los cambios de temperatura que experimentan los materiales metálicos y calcular el coeficiente de dilatación lineal. II. INTRODUCCION TEORICA Las propiedades de numerosos cuerpos cambian cuando alteramos su temperatura, como al sacarlos de un refrigerador y ponerlos en un horno caliente. Por ejemplo cuando aumenta la temperatura de esos cuerpos, aumenta el volumen de un líquido, una varilla metálica crece un poco más y aumenta la resistencia eléctrica de un alambre, al igual que aumenta la presión ejercida por un gas confinado. A veces es posible aflojar la tapa metálica de un frasco manteniéndola bajo un chorro de agua caliente. Tanto el metal de la tapa como el vidrio del frasco se dilatan porque el agua caliente agrega energía a sus átomos (como más energía los átomos se pueden alejar un poco más entre sí que de costumbre contra las fuerzas interatómicas que mantienen unidos a los átomos de los sólidos). Sin embargo, como los átomos del metal se mueven a mayor distancia que los del vidrio, la tapa se dilata más que el frasco por ello mismo se afloja) Esta dilatación térmica no es siempre deseable. Por lo tanto para evitar el pandeo se ponen ranuras de dilatación en puentes para que dicha dilatación ocurra sin riesgos en días calurosos. Los materiales dentales que se emplean en prótesis deben estar equilibrados en sus propiedades de dilatación térmica con los del esmalte de los dientes (de otra manera tomar un café caliente podría ser bastante doloroso). Sin embargo en la fabricación de aviones, es frecuente que remaches y otros sujetarlos se enfríen en hielo seco antes de insertarlos y luego de dejar expandir para obtener un ajuste apretado. En la dilatación térmica se presentan tres tipos: lineal, superficial y volumétrica DILATACIÓN LINEAL Si la temperatura de una varilla de metal de longitud L se eleva en una cantidad T (Fig. N 1), se encuentra que su longitud aumenta una cantidad. L o L T o T f L f Fig. N 1

2 L L 0 T donde es una constante llamada coeficiente de dilatación lineal. Las unidades de son 1/ 0 C y se calcula así: L L T El coeficiente de dilatación lineal puede definirse como el cambio en longitud por unidad de longitud por grado de cambio en la temperatura. El valor de depende del tipo de material (Tabla N 1) Tabla No. 1: Coeficientes de dilatación lineal de algunos materiales 0. DILATACIÓN VOLUMÉTRICA Material (-5 / 0C) Plomo 3.0 Aluminio 2.3 Latón 1.8 Cobre 1.7 Acero 1.2 Zinc 2.6 Si todas las dimensiones de un sólido se dilatan con la temperatura, el volumen de ese sólido debe expandirse también. Para líquidos, la dilatación de volumen es el único parámetro significativo. Sea un cuerpo cuyo volumen inicial es v0. Cuando se incrementa la temperatura en T el volumen del cuerpo aumenta en V (Fig. N 3). L 1 L 2 L 3 Fig. N 3 Matemáticamente se expresa así: V T vo donde, es un coeficiente de proporcionalidad llamado Coeficiente de dilatación volumétrica cuyas unidades son 1/ ºC ó 1/ ºF. El coeficiente de dilatación volumétrica representa la variación relativa o fraccional del volumen por unidad de variación de la temperatura. V 3 V O

3 III. TAREA PREVIA 1. Definir los siguientes conceptos: Energía térmica, temperatura, escalas de temperatura, equilibrio térmico, dilatación térmica, termómetro. 2. Cómo se define el coeficiente de dilatación lineal de una sustancia? 3. Investigar los valores de los coeficientes de dilatación lineal de los siguientes metales: aluminio, latón, cobre, hierro y acero. IV. MATERIAL Y EQUIPO Aparato de expansión térmica con comparador de carátula (micrómetro) Tubo de latón Termostato de inmersión A0 con accesorios Mangueras Contenedor plástico para agua Termómetro de laboratorio V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Colocar el tubo de latón en el aparato de expansión térmica, tal como lo muestra la Fig. N 4. y medir la temperatura inicial To = 0 C y longitud inicial Lo = mm Fig. N Encender el termostato de inmersión, asegurándose que el selector de temperatura se encuentre a cero grados. 3. Presionar el botón de la bomba, girando para seleccionar un valor de 80 o C. 4. Verificar que el comparador de carátula esté haciendo contacto con el extremo del tubo y ajustar la aguja a cero. 5. Llevar lentamente el selector de temperatura del termostato hasta un valor de 70 o C. 6. Anotar el valor del cambio de longitud ( L) observando el comparador de carátula para temperaturas de: (35, 40, 45, 50, 55, 60 y 65) 0 C y completar la tabla N 2.

4 Tabla N 2: Cambios de longitud respecto a los cambios de temperatura Observación T ( O C) T = T T 0 ( O C) L (mm) Nota: Antes de apagar la bomba de agua llevar el selector de temperatura del termostato de inmersión A0 a cero y apagar el aparato. VI. HOJA DE ANALISIS DE RESULTADOS 1. Utilizando los datos de la tabla N 2. Encontrar el valor del coeficiente de dilatación lineal del latón y completar la tabla N 3 Tabla N 3: Valores del coeficiente de dilatación lineal del latón Observación T ( 0 C) T = T T 0 ( 0 C) L (mm) ( 0 C-1) Utilizando los datos de la tabla N 3. Calcule el mejor valor del coeficiente de dilatación lineal y calcule el porcentaje de error respecto al valor teórico de = 1.8 x -5 / 0 C 3. Construya un gráfico de los cambios de longitud L contra los cambios de temperatura T (utilice papel milimetrado) 4. Cuál es la relación de proporcionalidad entre L y T? 5. Obtener la ecuación experimental del gráfico anterior 6. A partir del valor de la constante de proporcionalidad obtenida en la pregunta anterior, calcular el valor de para el material de la varilla. 7. Cuáles fueron las causas de error ocurridas durante la práctica? 8. Escribir conclusiones y comentarios

5 Física técnica. Laboratorio Nº 9. Hoja de criterios de evaluación de los resultados experimentales Departamento: Ciencias Básicas Laboratorio: Física Asignatura: Física Técnica NOTA Coeficiente de dilatación lineal N Apellidos Nombres Carnet Firma GT Nombre y firma del Docente de Laboratorio: MESA: GL: FECHA: N Criterios a evaluar % Asignado % Obtenido Observaciones 1 Presentación y orden del reporte 5 2 Utilizando los datos de la tabla N 2. Encontrar el valor del coeficiente de dilatación lineal del latón y completar la tabla N 3 3 Utilizando los datos de la tabla N 3. Calcule el mejor valor del coeficiente de dilatación lineal y calcule el porcentaje de error respecto al valor teórico de = 1.8 x -5 / 0 C 4 Construya un gráfico de los cambios de longitud L contra los cambios de temperatura T (utilice papel milimetrado) 5 Cuál es la relación de proporcionalidad entre L y T? 6 Obtener la ecuación experimental del gráfico anterior 7 A partir del valor de la constante de proporcionalidad obtenida en la pregunta anterior, calcular el valor de para el material de la varilla. 8 Cuáles fueron las causas de error ocurridas durante la práctica? 9 Escriba sus conclusiones y comentarios TOTAL DE PUNTOS 0