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Universidad del norte Laboratorio de física calor ondas Luis Guzman Codigo: 200010245 email: lgguzman@uninorte.edu.co

[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 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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Informe de laboratorio Universidad del norte 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. U

Figura 1.2 Variación Distancia vs Energía

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Informe de laboratorio Universidad del norte 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 Lo cm C cm L cm T

Aluminio 42 65.8 0.073 42.073 90.1

Cobre 42 67.3 0.055 42.055 90

Latón 41 68.4 0.057 41.057 91.7

4. Análisis

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

Despejando

Aluminio:

Porcentaje de error:

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tenemos que:


Informe de laboratorio Universidad del norte Cobre:

Porcentaje de error:

Latón:

Porcentaje de error:

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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Informe de laboratorio Universidad del norte 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

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es de magnitud

entonces tenemos que:


Informe de laboratorio Universidad del norte 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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