Dilatación Térmica

PRÁCTICA 5 Dilatación Térmica

Resumen

Se realizaron diversos experimentos, los cuales ayudaron a comprender de mejor manera el concepto de dilatación térmica, los factores que influyen en este y sus aplicaciones en el uso cotidiano, para esto empleamos diversos experimentos tales como, eldel huevo, dilatación de la moneda, el de la botella de vidrio y globo; los cuales se explicaran más adelante. Esta variedad de experimentos fue de gran utilidad para observar el comportamiento de las moléculas en el calor ofrío.

Introducción

Con el siguiente informe se describe la experiencia adquirida en el laboratorio al poner en práctica lo estudiado teóricamente. El objetivo general de esta práctica es obtener el coeficientede dilatación térmica, lineal, superficial yvolumétrica de diferentes materiales.

El calor que se comunica a un cuerpo se divide en dos partes: una que se conserva y es perceptible, que calienta el cuerpo y la otra que desaparece en cuanto a calor, transformándoseen trabajo mecánico, cuyo resultado es el aumento delvolumen o dilatación, demostrable por medio de una simple experiencia.

Cualquier tipo de material tiende a experimentar un fenómeno conocido como Dilatación térmica esto produce un aumento lineal de longitud al variar la temperatura del mismo produciendo en este efectos como: La expansión lineal y expansión volumétrica. La dilatación térmica es el proceso mediante el cual se calienta un cuerpo sólido, la energía cinética de sus átomos aumenta de tal modo que las distancias entre las moléculas crecen, expandiéndose así el cuerpo, o contrayéndose si es enfriado. Estas expansiones y contracciones causadas por variación de temperatura en el medio que le rodea. Dilatación Lineal: Es el incremento de longitud que presenta una varilla de determinada sustancia, al momento de aumentar su temperatura interna se logra observar un alargamiento con respecto de su longitud inicial gracias al delta de temperatura que es sometida la varilla.

Donde: α=coeficiente de dilatación lineal [1/C°], Lo= Longitud inicial. L= Longitud final, = Temperatura inicial, T = Temperatura final.

En intervalos de temperaturas comprendidas entre 0°C y 100°C, la dilatación lineal es proporcional al aumento de temperatura. Así, puede verse que cuando se duplica o triplica la temperatura de una varilla, el alargamiento de ésta igualmente se multiplica por dos o por tres. La dilatación lineal es proporcional a la longitud inicial del cuerpo dilatado. Si este es homogéneo en la naturaleza de su composición, todas las unidades de su longitud se dilatan por igual, por lo que el alargamiento total aumentará cuanto mayor sea la longitud inicial del cuerpo que se calienta.

Método experimental

Parael desarrollo de este laboratorio sehizo uso dediferentes elementos caseros, como lo son fuentes de calor, envases de vidrio y los elementos a los cuales se les aplicaría el cambio de temperatura, para esto también se hacen uso de las fórmulas de dilatación para permitirnos identificar mucho más fácil dicho cambio.

Figura 0.1(Fórmulas dilatación térmica)

Se tomarán diferentes elementos con formas y tamaños distintos a los cuales se hará un cambio de temperatura para notar la dilatación de estos, en el caso de no poder medir la temperaturase haráuso deuna referencia para el tamaño (Reglas, hojas milimetradas, plano cartesiano, etc.).

Empleamos los siguientes elementos:

Experimento 1:  Pinzas  Briquet  Recipiente de vidrio.  Moneda de doscientos

Figura 0.2. Materiales para el desarrollo del experimento

Experimento 2:  Botella de vidrio  Globo  Hielo  Emisor de calor (fuego).

Figura 0.3 Materiales para el desarrollo del experimento

Experimento 3:  Pinzas  Briquet  Una hoja blanca  Un pedazo de aluminio

Figura 0.4. Materiales para el desarrollo del experimento

Experimento 4:  Agua Fría  Agua Caliente  Termómetro  Embace de vidrio  Huevo

Figura 0.5 Materiales para experimento

Experimento 5:  Cable de cobre.  Vela.  Encendedor.  Regla.

 Báscula.  Tuerca.  Cuchillo para pelar el cable.  Palos para colgar el cable.

Figura 0.6 Materiales utilizados.

Resultados y análisis:

Experimento 1.

el tema principal de este experimento es la dilatación de los metales, se quiere observar que le sucede a un cuerpo cuando se eleva su temperatura con ayuda de un mechero. Inicialmente podemos observar que la moneda entra sin dificultad por el agujero quetiene elrecipiente en la parte superior del mismo. (Figura 1.1)

Figura 1.1. proceso del experimento

Posteriormente procedemos a calentar la moneda con ayuda del briquet ylas pinzas (Figura 1.2)

Podemos observar que la dilatación en un cuerpo es directamente proporcional a la variación de la temperatura. En este caso de la moneda ocurrió un incremento de área, porque se incrementó su largo y su ancho, al absorber el calor, la energía cinética promedio de las moléculas aumentan y con ella la amplitud media del movimiento vibracional, ya que la energía total será mayor tras la absorción de calor, el efecto combinado de este incremento es lo que da el aumento del volumen del cuerpo.

Experimento 2

El tema principal en este experimento es la dilatación del cuerpo, se quiere observar que sucede cuando un cuerpo se expone al calor y luego al frio, a continuación, se les contara paso a paso lo que sucede.

La boquilla del globo se coloca en la boca de la botella, el globo se encuentra sin aire, luego la botella de fuego junto al globo fue expuesta al fuego, así como se muestra en la Figura 2.1.

Figura 2.1 Proceso del experimento

La botella de vidrio se calentó en 10s, luego el aire caliente sube e infla el globo en 50s queda como se muestra en la Figura 2.2, esto suceda ya que las moléculas de aire que están dentro de la botella van a dilatarse, es decir, incrementar su volumen, es por esto que el gas se expande yel globo se infla, a lo quetoque el globo estaba duro ycaliente.

Figura 2.2 Proceso del experimento

Se deja enfriar la botella unos minutos para que no tenga un cambio brusco detemperatura, así como se puede observar en la Figura 2.3.

Figura 2.3 Proceso del experimento

Luego, se coloca la botella dentro del hielo, para poder observar que sucede en el frio, así como en la Figura 2.4.

Figura 2.4 Proceso del experimento

Posteriormente se enfría la botella, el gas se contrae, es decir, que ocupa menos volumen y el globo se deshincha.

Se hace una medición del globo, así como se muestra en la ilustración 2.6 con una regla, el globo tiene una longitud de 11 cm, cuando está en el calor queda con una medida de 13 cm aproximadamente y cuando está en el frio el globo queda con una longitud de 10 cm aproximadamente.

Figura 2.6 Proceso del experimento

A simple vista se puede observar ya que en el calor el globo se intentó inflar, esto hizo que la longitud se extendiera un poco, en cambio en el frio el globo quedo sin nada de aire, y de esta forma se ve más pequeño. El coeficiente de dilatación lineal, tiene distintas unidades, es especifico de cada material y representa el alargamiento que experimenta la unidad de longitud de un sólido, cuando su temperatura se eleva 1 k. su unidad de medida en el sistema internacional es k a la -1, aunque también se usa el °c a la -1. Lastimosamente no se pudo calcular el coeficiente de dilatación ya que en el lugar donde se realizó este experimento no un termómetro, entonces solo se midió la longitud del globo durantetodo el proceso.

Experimento 3.

el tema principal de este experimento es la dilatación de los metales, se quiere observar que le sucede a un cuerpo cuando se eleva su temperatura con ayuda de un mechero.

Inicialmente tomamos nuestra pieza de aluminio ydemarcamos su contorno en la hoja para tener una referencia del tamaño inicial de este. (Figura 3.1)

Figura 3.1. Proceso del experimento

Luego calentamos la pieza de aluminio con ayuda del briquet ylas pinzas (Figura 3.2)

Figura 3.2. Proceso del experimento

Luego colocamos el pedazo de aluminio encima de la marca de referencia que habíamos hecho en la Figura 3.1 observando que esta ahora cubre los bordes de estas referencias (Figura 3.3)

Figura 3.3. Proceso del experimento

Para poder apreciar mejor esta dilatación, pegamos un trozo de papel al respaldo del trozo de aluminio (Figura 3.4)

Figura 3.4 Proceso del experimento

Luego calentamos el trozo con el briquet, de esta manera podemos observar cómo se curva el papel aluminio alrededor de la pieza de papel, esto debido a la dilatación de este en comparación con la del papel, de esta manera es más fácil apreciar la dilatación que sufre el aluminio al ser expuesto al calor (Figura 3.5)

Figura 3.6 Proceso del experimento

El aluminio es un elemento que se dilata debido al calor, esto debido a que conforme le aplicamos calor el movimiento de las partículas aumenta, haciendo que crezca la distancia entre estas, por eso fue necesario tener una medida de referencia, como se ve en la Figura 3.2, ya que este cambio puede ser bastante pequeño y difícil de medir, ya que según disminuye la temperatura vuelve a su estado original, sin embargo al pegar el trozo de aluminio a un pedazo de papel es más fácil ver estos cambios debido a la forma que adquiere al estar adherido a un elemento con una dilatación menor.

Experimento 4

En este experimento buscamos mostrar la dilatación en los alimentos, para este caso empleamos un huevo:

Con ayuda del termómetro tomaremos la temperatura del agua caliente ydel agua fría.

Figura 4.1 (Toma de temperatura del agua) Colocamos el huevo en el recipiente de vidrio asegurándonos de que este no esté forzado.

Figura 4.2 (Huevo tamaño normal) Luego introduciremos el recipiente con el huevo en el agua fría la cual está a 3°C, en este caso podemos observar que el huevo va entrando al recipiente poco apoco, aclarando que el proceso es bastante lento.

Figura 4.3 (Huevo agua fría) Luego trasladamos nuestro recipiente con el huevo hacia el recipiente con el agua caliente que está a 43.6 °C, poco a poco vamos observando como nuestro huevo va saliendo del recipiente de vidrio.

Figura 4.4 (Huevo agua caliente) Ahora calcularemos el coeficiente dedilatación volumétricausando la siguiente formula: V = Vo [1 + β (Tf – To)] Para usar la formula tendremos en cuenta la temperatura del agua caliente, el agua fría yel volumen de nuestro huevo.

Figura 4.5 (Medidas del huevo) Para un huevo de una longitud de 5.5 cm yun ancho de 4 cm tenemos un volumen aproximado de: Vo = 85.753506 cm3 Para hacer uso de nuestra formula es necesario tener el coeficiente de dilatación, eneste caso usaremos la siguiente formula:

Figura 4.6 (Formula coeficiente de dilatación lineal)

Lf = 8.6 cm Lo = 8.2 cm To = 3 °C Tf = 43.6 °C

Figura 4.7 (Toma del tamaño del huevo en agua fría y caliente) α = 8.6����−8.2���� 8.2����(43.6 °��−3 °��) α= 1.201489847x10-3 Luego teniendo en cuenta que el coeficiente de dilatación volumétrica es tres veces la dilatación lineal usaremos la fórmula para hallar el coeficiente de dilatación del huevo. β = 3α β = 3 (1.201489847x10-3)

β = 3.604469541x10-3 °C-1 Ahora aplicamos nuestra formulade dilatación volumétrica: V = Vo [1 + β (Tf – To)] V = 85.753506 cm3 [1 + 3.604469541x10-3 °C-1 (43.6 °C – 3°C)] V = 98.30279956 °C-1

La dilatación volumétrica es aquella en la que se presenta un cambio del tamaño de un objeto, en este caso se puede apreciar que cuando el huevo era sometido a una alta temperatura la presión del gas lo hacía salir del embace de vidrio mientras que al someterlo a temperaturas bajas este entraba más en el recipiente, entonces podemos decir que la presión de una

cantidad fija de gas es inversamente proporcional al volumen que ocupa, si esta cumple con tener una temperatura constante.

Experimento 5.

Empezamos pelando el cable como se ve en la figura 5.1

Figura 5.1 Proceso del experimento

Ahora realizamos la medición de este,observamos que mide 29 cm de longitud.

Figura 5.2 Proceso del experimento

Realizamos la medición de los palos, observamos que mide 24,5 cm.

Figura 5.2 Proceso del experimento

Pesamos la tuerca de acero, la observando que tiene una masa de 35 gramos como se ve en la figura 5.3.

Figura 5.3 Proceso del experimento

Colgamos el cable a los palos que están ubicados de forma vertical, colgando en la mitad del cablelatuerca, yrealizamoslamedicióndelaalturadelcableconrespectoalsuelo, observamos que mide 18,7 cm.

Figura 5.4 Proceso del experimento

Prendemos la vela usando el correspondiente encendedor.

Figura 5.5 Proceso del experimento

Acercamos la llama de la vela al cable.

Figura 5.6 Proceso del experimento

Observamos como cambia laapariencia del cable.

Figura 5.7 Proceso del experimento

El material de uso (cobre), cambia de color dorado, a un color negro.

Figura 5.8 Proceso del experimento

Luego de dos minutos retiramos la vela cuidadosamente para medir de inmediato la altura que alcanza el cable caliente con respecto al suelo.

Figura 5.9 Proceso del experimento

Ahora realizamos la medición del cable, observamos que mide 18,2 cm, por tanto, se reduce el valor de la longitud del cable, (hi = 18,7cm - hf = 18,2cm), la variación de la longitud es de 0,5 cm.

Figura 5.10 Proceso del experimento

Luego de un minuto el cable ya se encuentra a temperatura ambiente, realizando de nuevo la medición, evidenciamos 18,7cm de altura, por tanto, concluimos con una altura igual a la inicial.

Figura 5.11 Proceso del experimento

A simple vista no es tan notoria la expansión del cable, pero utilizando materiales de medición, como en este caso una regla se evidencia una expansión de 0,5 cm, hacia abajo,, y como tal también la longitud del cable aumenta, porque inicialmente se encontraba de forma horizontal, pero luego experimenta una pequeña curva, entonces podemos afirmar que el cable no se movió con respecto alos palos en los que se encontraba sujetado, la expansión del cable es debida a dos fatores, el fuego y el peso de la tuerca, teniendo en cuenta que los materiales para dilatación lineal en su mayoría son metales, y que estos tienen un coeficiente de dilatación reducido, con el cobre se experimenta un alto coeficiente de rotación frente a otros elementos como el hierro, el acero, o el oro. En este caso si se podría hallar el valor del coeficiente de dilatación lineal, ya notablemente contamos con una variación de longitud de (0,5cm), una longitud inicial de (29cm), además experimentamos una sensación física que nos produce el cuerpo cuando entramos en contacto con él, por eso realizando aproximaciones el valor inicial del cobre puede estar entre 10 y 20 °C y la final está entre 90 y 120 °C, esto nos puede resultar valores inciertos, pero también pudimos haber hecho uso de un termómetro especializado. Tener en cuenta la dilatación térmica de los materiales nos va a permitir determinar una relación funcional entre la variación de longitud, área o volumen y la temperatura para diferentes materiales

Conclusiones:

1. En dilatación térmica, los cambios de temperatura afectan el tamaño de los cuerpos, es decir esta consiste en un aumento de sus dimensiones, cuando se incrementa su temperatura, y cuando se enfrían se contraen modificando de igual manera sus dimensiones. 2. Ejemplos prácticos de dilatación térmica lineal, son las vías de ferrocarril, estructuras rígidas, puentes de acero, en todos los casos vemos espacios libres que permiten a los materiales dilatarse libremente, todo esto para evitar rupturas o inestabilidad en las obras construidas, a estos espacios se les conoce con el nombre de junta de dilatación. 3. En la dilatación lineal únicamente vamos a tener en cuenta una dimensión, en la cual ocurre un aumento o disminución de tamaño, esto afecta a la longitud de un objeto. Se llama Coeficiente de Dilatación Lineal al incremento de longitud que experimenta la unidad de longitud al aumentar su temperatura en 1°C. 4. El coeficiente de dilatación lineal es la unidad que determina la proporción de crecimiento en una dimensión de una sustancia específica, y va depender de sus características físicas, cada material va tener un coeficiente de dilatación lineal característico, valores que ya han sido determinados experimentalmente, pero también es posible determinarlo teniendo en cuenta valores de longitud inicial y final, así como de las temperaturas inicial yfinal con las cuales hemos realizado nuestro estudio.