FS-104 Fisica General UNAH

Universidad Nacional Autonoma de Honduras

Facultad de CienciasEscuela de Fısica

Dilatacion Termica

Objetivos

1. Comprobar la dilatacion de metales al aumentar la temperatura.

2. Calcular el coeficiente de dilatacion de las barras metalicas utilizadas.

Materiales y Equipo

1. Tubo de dilatacion.

2. Soportes en aspa para el tubo.

3. Caldera para calentamiento de lıquidos.

4. Hornilla.

5. Termometro.

6. Reloj comparador (micrometro).

7. Barras de metal.

8. Mangueras(dos) para entrada y salida en el tubo.

9. Agua.

10. Guantes de proteccion contra calor.

11. Cinta metrica.

Figura 1: Materiales y Equipo

Marco Teorico

Cuando la temperatura de un objeto aumenta el objeto tiende a aumentar sus dimensiones, en otras palabrassufre un aumento en su volumen. A este fenomeno se le conoce como dilatacion termica . Pero ¿por que sucede esto?,para responder es necesario recordar que los ladrillos fundamentales que forman todas las cosas que existen son losatomos. Se puede modelar un cuerpo cualquiera como la union de una infinidad de atomos que se encuentran unidosunos a otros por resortes. Claro, estos atomos no se quedan quietos, siempre se estan moviendo, y que tanto semuevan depende de cuanta energıa tengan para hacerlo, por supuesto si aumentamos la temperatura de por ejemplouna barra de metal, o una losa de concreto, los atomos que la conforman tendran mas energıa para moverse, comoahora los atomos se mueven mas, nosotros vemos esto como si el objeto se hiciera mas grande, ¡esta aumentandotodas sus dimensiones!. En consecuencia podemos decir que un cuerpo aumentara sus dimensiones si aumentamossu temperatura. Para objeto de la practica nos interesa modelar la dilatacion termica que puede sufrir una barracomo dilatacion lineal. La ley que modela la dilatacion lineal se puede enunciar matematicamente como:

∆L = αL0∆T (1)

donde:

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∆L = Lf − L0

Lf es la longitud final

L0 es la longitud inicial

∆L es la variacion de longitud

∆T es la variacion de temperatura

α es el coeficiente de dilatacion del material

Cabe resaltar que el coeficiente de dilatacion α depende del material con el que estemos tratando. Diferentesmateriales poseen diferentes coeficientes. Esto nos puede servir para identificar de que esta hecho un objeto dematerial desconocido, calculamos α mediante:

α =∆L

L0∆T(2)

La dilatacion termica es de vital importancia en el diseno de materiales en la parte de la ingenierıa estructural.Sus usos son bastos, algunos ejemplos serıan las juntas que se presentan en estructuras de edificios o autopistas,disenos de tapones dentales, vıas de trenes, protesis internas o clavos quirurgicos. Si no se toma en consideracion ladilatacion termica se podrıan generar accidentes o inconvenientes que serıan catastroficos.

Procedimiento Experimental

1. Mida la longitud de la barra L0 con la cinta metrica y regıstrela en la tabla 1.

2. Introduzca la barra en el tubo de dilatacion y coloque los tapones de modo que los extremos de la barra pasenpor los agujeros de estos.

3. Coloque el tubo de dilatacion sobre el soporte.

4. Agregue agua a la caldera hasta 1/3 de su capacidad y coloquela sobre la hornilla de la estufa.

5. Conecte las mangueras de la siguiente manera:

Una manguera (para entrada de vapor) que conecte el tubo de dilatacion a la caldera. Esta estara en elextremo mas alejado al micrometro.

Una manguera (para la salida de vapor) conectada solo al tubo de dilatacion en el extremo cercano almicrometro.

6. Introduzca el termometro en el agujero central del tubo de dilatacion asegurandose de que este en contactocon la barra. Mida la temperatura inicial de la barra Ti y regıstrela en la tabla 1.

7. Asegurese de que la barra este en contacto con el micrometro y el tornillo que se encuentra al otro extremodel soporte:

Gire cuidadosamente el tornillo y si las agujas del micrometro se mueven es porque si estan en contacto.

Deje la aguja de escala pequena marcando los mas cerca a un valor entrero y dejando la posibilidad deque pueda seguir moviendose, esta sera nuestra referencia.

Deje la aguja de la escala grande marcando cero.

8. Con el montaje listo (figura 2), encienda la estufa y espere a que el agua de la caldera hierva. Observe lo quesucede con el termometro y el micrometro a medida sale vapor por la manguera de salida.

9. Cuando observe que la temperatura deje de aumentar, mida la temperatura final de la barra Tf que indica eltermometro y regıstrela en la tabla 1.

10. Tomando como referencia los valores iniciales del micrometro (inciso 7) mida la variacion en la longitud ∆Lde la barra y regıstrela en la tabla 1.

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11. Desmonte el equipo y preparelo para la siguiente barra:

Apague la estufa.

Quite el termometro.

Desconecte las mangueras del tubo de dilatacion y saque la barra de su interior.

Enfrıe el tubo de dilatacion.

12. Repita todos los pasos anteriores para la segunda barra.

Figura 2: Montaje experimental

Registro de Datos Experimentales

Barra Longitud inicial Temperatura inicial Temperatura final Variacion de longitud

L0 (mm) Ti (◦ C) Tf (◦ C) ∆L (mm)

1

2

Tabla 1: Registro de datos experimentales

Procesamiento de Datos Experimentales

1. Calcular el coeficiente de dilatacion lineal para las dos barras utilizando la ecuacion (2).

2. Para cada una de las barras utilizadas, calcule el porcentaje de error del coeficiente de dilatacion experimental(calculado) con el coeficiente de dilatacion teorico presentado en tablas:

%error =|αteorico − αcalculado|

αteorico× 100 % (3)

Cuestionario

1. ¿Considera que el problema planteado fue resuelto satisfactoriamente? Explique.

2. ¿Se puede hablar de un coeficiente de dilatacion lineal en los lıquidos? Explique.

3. ¿Podrıa medirse el coeficiente de dilatacion lineal de los metales utilizados en el laboratorio si en vez decalentar la varilla de metal con vapor de agua la enfriamos con un gas a una temperatura de −50◦C? Deser ası indique que precauciones se deben tomar o que modificaciones se deben efectuar al procedimientoexperimental.

4. ¿Que problemas podrıan esperarse si al construir elementos estructurales se utilizaran materiales de distintocoeficiente de dilatacion lineal? Considere el caso especıfico de protesis y rellenos dentales.

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Barra Longitud inicial Temperatura inicial Temperatura final Variacion de longitud

L0 (mm) Ti (◦ C) Tf (◦ C) ∆L (mm)

1

2

Tabla 1: Registro de datos experimentales