UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA COMPLEJO ACADEMICO PUNTO FIJO AREA DE TECNOLOGÍA UNEFM DEPARTAMENTO DE MECÁNICA Y TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN CÁTEDRA: LABORATORIO DE CIENCIA DE LOS MATERIALES PRACTICA Nº 2: SOLIDIFICACIÓN Y ENFRIAMIENTO DE BAJO PUNTO DE FUSIÓN I.- OBJETIVO GENERAL: Estudiar la solidificación y enfriamiento de un metal de bajo punto de fusión. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Transformar la fuerza electromotriz (mv) interpolando con temperatura en F y luego llevarla a C. Determinar el punto de fusión del metal estudiado a partir de las gráficas T (ºc) Vs t (seg). Trazar las curvas de calentamiento y enfriamiento de un metal de bajo punto de fusión. II.- INTRODUCCIÓN: El estudio del comportamiento de los metales, tiene mucha importancia cuando se someten a variaciones de temperatura. La metalurgia le confiere especial interés a los fenómenos térmicos, ya que estos intervienen decisivamente en la elaboración de los metales y aleaciones de aplicación industrial. 1
Si se calienta un metal en estado sólido, es decir, si se le suministra energía en forma de calor, la temperatura se incrementa en un cierto valor que es inversamente proporcional al calor específico medio del metal. La energía calorífica suministrada se transforma en energía cinética, manifestándose este hecho por un aumento de la amplitud de las vibraciones atómicas. El paso del estado sólido al líquido exige una gran cantidad de energía calorífica (el calor de fusión), pero la temperatura permanece invariable. Un segundo grado de libertad adquirido por los átomos del metal caracteriza esta transformación; por esto, el calor de fusión no es más que la energía precisa para destruir el edificio cristalino y dar origen a enlaces menos compactos que caracterizan el estado líquido. Desde el momento que el movimiento atómico no se limita a la vibración de los átomos alrededor de su posición media de equilibrio, pueden estos desplazarse libremente en el seno de la masa líquida y la única limitación de este movimiento queda establecida por el volumen ocupado por el metal fundido. Resumiendo podríamos definir el calor de fusión, como la energía necesaria para conceder bruscamente a todos los átomos que componen la masa metálica este segundo grado de libertad que caracteriza el estado líquido. Los metales siguen la Ley fundamental de los cuerpos puros: A una presión determinada, tanto la fusión como la solidificación de un cuerpo puro comienza, continua y finaliza a una temperatura denominada respectivamente, temperatura de fusión y de solidificación. Al punto de fusión se llega por calentamiento del sólido, mientras que la solidificación se logra enfriando el líquido. No se toman en consideración los cambios de presión atmosféricas, ya que este es muy pequeño. III.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS: En la ciencia de los materiales, el estudio del comportamiento de los metales tiene mucha importancia cuando se someten a variaciones de temperatura. Las principales características térmicas son: temperatura d fusión, calor latente de fusión y calor específico. 2
Punto de Fusión: Es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado sólido al estado líquido, a una temperatura constante.. T (ºC) Liquido Punto de fusión A Calor Latente de Fusión B Sólido Calentamiento T (seg) Curva de Calentamiento de un metal de bajo punto de fusión En esta curva de calentamiento se puede apreciar el calor latente de fusión que va desde el punto A hasta el punto B, en la cual al sólido se le suministra calor para que funda completamente. En este proceso existe una absorción de calor. Punto de solidificación: Es la transformación de un líquido a sólido a una temperatura constante. T (ºC) Liquido Pto de solidificación A Calor Latente de solidificación B Sólido Curva de enfriamiento de un metal puro de bajo punto de fusión 3
En esta curva de enfriamiento, en donde el calor va desde el punto A hasta el punto B, existe un desprendimiento de calor. Calor específico (Ce): Se define como la cantidad de calor necesario para elevar un grado la temperatura de un gramo de masa. Q = Ce m( T T ) = Ce * m T * 2 1 Donde: Q= calor especifico m= masa T= temperatura Temperatura de fusión: Es la temperatura a la cual el metal pasa de estado sólido a estado líquido. Calor latente de fusión (Qf): Es la cantidad de calor que absorbe un cuerpo para pasar, a temperatura constante, del estado sólido al líquido. Calor latente de solidificación (Qs): Es la cantidad de calor que desprende un cuerpo para pasar, a temperatura constante, del estado líquido al sólido. Calor latente de solidificación: Es la cantidad de calor necesaria de suministro a la unidad de masa del metal para hacerlo pasar del estado líquido al estado sólido a una temperatura constante. Curvas de sobrecalentamiento y sub-enfriamiento: Temperatura de Fusión A B Líquido Sobrecalentamiento 4
La curva de sobrecalentamiento presenta un aumento de calor al sólido para que luego funda completamente. Temperatura de solidificación A B Sólido Sub- Enfriamiento La curva de sub- enfriamiento presenta una disminución de calor para que luego el metal solidifique. IV.- MATERIALES Y EQUIPOS A UTILIZAR: MATERIALES Crisol Metal de bajo punto de fusión Cronómetro EQUIPOS Horno eléctrico Potenciómetro Digital Termopar Cromel Alumel V.-PROCEDIMIENTO EXPERIMENTRAL EN DIAGRAMA DE FLUJO EN LA HOJA SIGUIENTE: 5
INICIO Metal suministrado en estado sólido NO Se le determina la temperatura de fusión y calor latente Pesar 1 gr de muestra Aproximadamente SI Introducir el metal en el crisol y llevarlo al horno Conectar termocupla al potenciómetro o voltímetro para registrar posteriormente F.E.M Esperar temperatura indicada (de fusión) del metal y retirar del horno Introducir termocupla dentro del metal fundido y registrar F.E.M según variación de temperatura c/5 seg hasta que la muestra solidifique Previa obtención de datos, graficar teniendo en consideración la interpolación de acuerdo a tabla, Cuyos valores no coincidan y llevarlo a ºC Graficar una vez considerando el paso anterior ºC Vs tiempo en seg FIN 6
VI.- TABLAS 7
Estos datos tabulados permitirán su comparación con los datos experimentales, a fin de establecer una diferencia o semejanza en los puntos de fusión del metal que se quiera estudiar y poder establecer las respectivas discusiones y análisis de los resultados experimentales obtenidos: Puntos de Fusión Material Símbolo T (ºC) Cobre Cu 1083 Estaño Sn 282 Plomo Pb 327 Zinc Zn 419.5 Temperatura (ºF) Fuerza Electromotriz (mv) 400 8.31 500 10.57 600 12.86 700 15.18 800 17.53 900 19.89 1000 22.26 1100 24.26 1200 26.98 1300 29.32 1400 31.65 NOTA: Comportamiento del termopar Cromel Alumel Si los datos experimentales de temperatura que se obtengan en dicha práctica no coinciden con la tabla anterior y sabiendo las distintas fuerzas electromotrices, entonces será necesario la interpolación debida de cada una de las temperaturas a distintos intervalos de tiempo por medio de: X=[ (Y-Y 1 ) (X 2 -X 1 ) / (Y 2 -Y 1 )] + X 1 Por ejemplo: En un tiempo 0 seg en donde la F.E.M (mv) =28 8
F.E.M (mv) Temperatura (ºF) Y 1 = 26.98 X 1 = 1200 Y= 28 X=? Y 2 = 29.32 X 2 = 1300 X= [(28-26.98) (1300-1200)/(29.32-26.98)] 1200 X= 1243.58 ºF Posteriormente los valores de temperatura (ºF) se llevarán a la escala Celsius (ºC) por medio de la formula: ºC= (ºF-32) / 1.8 Entonces tomando en cuenta este valor de temperatura: ºC= (1243.58-32) / 1.8 ºC= 673.1ºC= X Y así sucesivamente se hará con cada uno de los datos para obtener las distintas temperaturas. A partir de aquí se procederá a graficar los valores de temperatura Vs tiempo para los posibles análisis y discusiones de la curva obtenida. BIBLIOGRAFÍA ASKELAND, Donald. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Tercera Edición, México, 1998. International Editores. SMITH, William F. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Tercera Edición. Mc GrawHill. Impreso en España, 1998. LACERAS, José María y CARRASQUILLA, Javier F. Ciencia de Materiales. Primera Edición, Editorial Donostiarra, S. A. Julio 1991. Ing. Celirys Morales 9
SOLIDIFICACIÓN Y ENFRIAMIENTO DE BAJO PUNTO DE FUSIÓN NOMBRE: C.I: SECCIÓN: RESULTADOS EXPERIMENTALES: MATERIAL ANALIZADO PUNTO DE SOLIDIFICACIÓN % ERROR TIEMPO (seg) F.E.M (m.v) T ºC 10
DISCUSIÓN DE RESULTADOS: CONCLUSIONES: 11