laboratorio dilatación lineal

Universidad del norte

Laboratorio de física calor ondas

Luis Guzman

Codigo: 200010245

email: [email protected]

[INFORME DE LABORATORIO]

In this laboratory we studied the linear expansion for

three types of materials: aluminum, copper and brass.

The experiment consisted of exposing each of the rods of

these materials to water vapor, when heated, the length

of the rods grew in size and once taken the data were

derived the coefficient of linear expansion. Key Words:

coefficient of linear expansion, linear expansion.

En este Laboratorio se estudió la dilatación lineal para

tres tipos de materiales: aluminio, cobre y latón. El

experimento consistía en exponer cada una de las varillas

de estos materiales al vapor del agua, al calentarse, la

longitud de las varillas aumentaba de tamaño; una vez

tomados los datos se procedió a calcular el coeficiente de

dilatación lineal.

Informe de laboratorio Universidad del norte

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1. Introducción.

Todo lo que nos rodea está continuamente en un sistema térmico, donde los cuerpos

interactúan entre sí, y la energía pasa de un objeto a otro buscando su equilibrio. En

dicho proceso, los cuerpos responden al cambio de temperatura, variando en parte

sus propiedades y atributos, un claro ejemplo es el fenómeno de la dilatación lineal,

que consiste en la variación de la longitud de un cuerpo producto del cambio de

temperatura y la estructura del mismo. De ahí, que cada cuerpo interactué de manera

diferente aun si se encuentran en un mismo sistema.

1.2. Objetivos

-Analizar el fenómeno físico de dilatación lineal.

-Comprender la relación que existe entre la estructura del material y dicho fenómeno.

-Calcular el coeficiente de dilatación lineal a partir de los datos obtenidos de la gráfica

del experimento-

-Comparar los valores teóricos con los prácticos.


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2. Marco teórico.

2.1 DILATACIÓN

Los efectos más comunes que ocasionan las variaciones de temperatura en los

cuerpos o sustancias, son los cambios de sus dimensiones y los cambios de fase.

Nos referiremos a los cambios de dimensiones de los cuerpos sin que se

produzcan cambios de fase.

Llamamos dilatación al cambio de dimensiones que experimentan los sólidos,

líquidos y gases cuando se varía la temperatura, permaneciendo la presión

constante. La mayoría de los sistemas aumentan sus dimensiones cuando se

aumenta la temperatura.

2.2 DILATACIÓN DE LOS SÓLIDOS

Es el cambio de cualquier dimensión lineal del sólido tal como su longitud, alto o

ancho, que se produce al aumentar su temperatura. Generalmente se observa la

dilatación lineal al tomar un trozo de material en forma de barra o alambre de

pequeña sección, sometido a un cambio de temperatura, el aumento que

experimentan las otras dimensiones son despreciables frente a la longitud. Si la

longitud de esta dimensión lineal es Lo, a la temperatura to y se aumenta la

temperatura a t, como consecuencia de este cambio de temperatura, que

llamaremos Δt se aumenta la longitud de la barra o del alambre produciendo un

incremento de longitud que simbolizaremos como ΔL

Experimentalmente se encuentra que el cambio de longitud es proporcional al

cambio de temperatura y la longitud inicial. Lo. Podemos entonces escribir:

ΔL =ot. Lo. Δt (1) Figura 1.1 Variación de l.

Donde α es un coeficiente de proporcionalidad, que denominado “coeficiente de

dilatación lineal”, y que es distinto para cada material.

Si tenemos una longitud final como la sumatoria entre la longitud inicial y ΔL,

entonces, sustituyendo (1) tenemos:


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Para comprender la dilatación, es conveniente visualizar el fenómeno a nivel

microscópico, la expansión térmica de un sólido sugiere un aumento en la

separación promedio entre los átomos en el sólido.

Debido a que la energía vibracional aumenta conforme lo hace la temperatura, la

separación promedio entre los átomos aumenta con la temperatura y el sólido

como un todo se expande. Recordemos, que la energía potencial molecular, se

puede expresar como la suma de las energías cinética media, rotacional y

vibracional:

Em = Ekmed + Er + Ev,

Donde Ekmed, representa la energía cinética media, Er, la energía rotacional, y Ev la energía vibracional.

Figura 1.2 Variación Distancia vs Energía

U


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3. Toma de Datos

La obtención de los datos se realizó de la siguiente forma:

Los datos de la variación de la longitud con respecto al cambio de temperatura

fueron tomados experimentalmente, a través de los sensores y el software Data

Studio.

Figura 2.1 Materiales para la instalación

Figua2.2 Gráficas Temperatura vs Tiempo, Posición vs Tiempo respectivamente


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Resultado del proceso anterior se obtuvo lo siguiente:

DATO Aluminio Cobre Latón Lo cm 42 42 41

C 65.8 67.3 68.4

cm 0.073 0.055 0.057 L cm 42.073 42.055 41.057

T 90.1 90 91.7

4. Análisis

1. Con los datos tomados se procedió a calcular los coeficientes de dilatación para cada

uno de los materiales.

Despejando tenemos que:

Aluminio:

Porcentaje de error:


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Cobre:


Latón:


a) ¿A qué se debe el margen de error?

Una de las mayores dificultades para un resultado optimo es que la variación de la

longitud es muy pequeña haciendo difícil su medición, aunque fue el programa quien

hizo está toma de datos, la medición de la longitud inicial se llevo a cabo a través de la

cinta métrica, la poca precisión de esta última medida pudo influir en los resultados

finales.

b) Cuando un termómetro de mercurio en vidrio a temperatura ambiente se sumerge

en agua caliente, la columna de líquido inicialmente desciende y luego sube ¿a qué se

debe este fenómeno?

Cuando el termómetro es sumergido al agua caliente, el vidrio que contiene a la

columna de mercurio interactúa con el líquido, esto hace que se caliente el vidrio y por

proceso dilatación lineal, se expande el orificio que contiene al mercurio,

descendiendo así la columna de este ultimo. Una vez el sistema (agua, vidrio,


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mercurio) alcanza su equilibrio térmico, el mercurio comienza a ascender como es lo

normal.

c) Una placa metálica tiene un orificio circular. Si se incrementa la temperatura de la placa, ¿aumenta o disminuye el área del orificio? Explique Al incrementarse la temperatura, el orificio de la placa también sufre las consecuencias de la dilatación térmica, esto es, se expande, ya que el diámetro de éste obedece a:

d)¿El coeficiente de dilatación lineal de cualquier material es mayor cuando se expresa en C-1 o en F-1? Para responder esta pregunta debemos tener en cuenta que:

De ahí tenemos que:

Esto quiere decir que F-1 es por lo menos 5/9 de C-1 es decir que el coeficiente en F-1

será menor que en C-1 . e) ¿Es posible que una varilla metálica, en un proceso de dilatación térmica, se alargue un 5%? Si decimos que el cambio de la longitud es por lo menos 5% tenemos que:

De ahí:

Como sabemos que es de magnitud entonces tenemos que:


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Esto es un cambio altísimo de temperatura, cosa que un material común no soportaría sin cambiar de fase.

5. CONCLUSIÓN Con esta experiencia podemos concluir que existe una relación entre el cambio de

temperatura, la estructura del material y el cambio de la longitud debido al fenómeno

de dilatación lineal. Dicha relación se puede expresar como el coeficiente de dilatación

lineal. Además se concluye que la magnitud de esté valor está entre el intervalo de

cantidad pequeña, lo que nos sugiere que el cambio de longitud en un cuerpo

debido a la variación de la temperatura es pequeño pero en algunos casos

significativos cuando de precisión se trata.


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Bibliografía:

Sears, Zemansky, Young. Física Universitaria. Editorial Fondo Educativo

Interamericano (12. Edición).

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