Universidad del valle

Facultad de Ciencias Naturales y Exactas

Departamento de Física

Laboratorio de Física Fundamental II

EXPANSIÓN LINEAL TÉRMICA DE UN CUERPO SÓLIDO

1. Objetivos del experimento:

a. Observar y analizar el fenómeno de dilatación lineal en sólidos. b. Determinar cuantitativamente el coeficiente de dilatación lineal para el cobre y el

acero. 2. Teoría

Experimentalmente, se ha evidenciado que cuando un material sólido es sometido a cambios de temperatura, se presentan cambios en sus dimensiones como consecuencia de la variación en la distancia media entre los átomos o moléculas constituyentes. Este fenómeno es conocido como dilatación térmica de sólidos.

Si un objeto tiene una longitud inicial L0 a lo largo de alguna dirección, estando a cierta temperatura inicial To, un aumento de temperatura aumenta la longitud del objeto en una cantidad . Experimentalmente se encuentra que cuando es pequeña, es

directamente proporcional al producto de y a L0. Por consiguiente, podemos escribir:

= L0 (1) – L0 = Lo (T- T0) (2)

Donde L es la longitud final y T es la temperatura final; la constante de proporcionalidad se denomina coeficiente promedio de expansión lineal para un material determinado y tiene unidades (°C)-1. El valor del coeficiente de dilatación, estrictamente hablado, depende de la temperatura a la que esté el cuerpo y de la temperatura de referencia que se escoja para determinar a L0. Sin embargo, su variación es insignificante, comparada con la exactitud con que es necesario hacer las mediciones. Montaje experimental - Aparato de dilatación lineal, el cual incluye los siguientes componentes (ver figura 1): 1) Termostato y bomba de circulación de agua caliente 2) Soporte de fijación 3) Calibrador de reloj (marcado con la letra d en la figura), graduado en centésimas de

milímetro 4) Barras huecas de acero y cobre 5) Mangueras de silicona (para la circulación del agua caliente por la barra) - Termómetro digital

PREPARACIÓN DEL EQUIPO

Sitúe el extremo abierto de una de las barras hacia el poste (a) y el extremo cerrado pasando por el poste (b) como se muestra en la figura 1. Deslice la barra hasta que su muesca en la marca de 600 mm ajuste en el poste. Atornille la barra en (a), para evitar que la marca de 600 mm de la barra se mueva de su posicion en el soporte (sin apretar demasiado). Asegúrese que el extremo cerrado esté en contacto con el espigo (c) del calibrador (d); si es necesario ajuste la posición del último mediante el tornillo (e). Conecte los dos tubos de silicona que salen detrás de termostato de circulación (ver figura 2) a la barra que está ahora fija en el aparato de dilatación. Estos dos tubos tienen que estar bien conectados a la barra y a la bomba para evitar fugas de agua y deben estar lo menos doblados posible para que no se afecte la dilatación del cuerpo. Ahora, llene de agua el termostato hasta estar por encima de la bomba (resaltado en la figura 3).

1)

2) 4)

PROCEDIMIENTOS PARA DESARROLLAR EL EXPERIMENTO

Conectamos el termostato de circulación al toma de corriente. En la parte de atrás de éste se encuentra el botón de encendido del instrumento (ver figura 2). Activamos la pantalla presionando el botón de encendido del termóstato en su parte delantera (Figura 4).

El termostato de circulación nos va a dar una temperatura inicial del agua en el indicador de la parte inferior derecha (figura 5), pero para tener una mejor información, utilizamos la temperatura que nos da el termómetro digital. Tomamos también la temperatura ambiente. Se anota la lectura del calibrador, medida que hace las veces de cero. La pantalla del termostato

(figura 5) contiene cinco indicadores, de los cuales se tienen en cuenta los siguientes: i) temperatura actual del agua; ii) temperatura final que se quiere lograr; iii) botón de inicio/detención de la bomba de recirculación de agua. Mediante los botones del panel (figura 4) activamos el indicador ii) para fijar el primer valor de la temperatura final como se indica posteriormente. Luego bajamos al botón de inicio/detención y oprimimos Enter, poniendo en marcha la bomba.

Nos vamos a mover entre las ventanas

ii) y iii) con las teclas arriba y abajo e

ingresamos a la opción que deseamos

con el botón Enter.

Nos ubicamos en la opción de arriba

para cambiar la temperatura. Al darle

Enter en esta opción, se va a resaltar

el dígito de las unidades (figura 6). Lo

fijamos de 0 a 9 con las teclas arriba y

iii) Botón de

inicio/detención

i) Temperatura

actual del agua

ii)Temperatura final

abajo. Al establecer el dígito en la temperatura deseada, de ahí nos desplazamos al digito

contiguo con las teclas de izquierda y derecha, hasta terminar de fijar la temperatura a la

cual queremos llevar el agua, y finalmente, damos Enter.

Observe cómo cambia la longitud de la barra a medida que la temperatura del agua sube.

Una vez alcanzada la temperatura final, esperamos a que la longitud de la barra se

estabilice, y tomamos la nueva lectura del calibrador de reloj. Anote en una tabla la

temperatura final y la dilatación producida.

Fije nuevamente la temperatura final, aumentando de cinco en cinco grados Celsiuus

hasta ochenta grados. No es necesario parar la bomba de recirculación para fijar una

nueva “temperatura-meta”. Cuando haya tomado la medida de longitud para la última

temperatura, apague la bomba de recirculación y el sistema completo. Enfrié el agua del

sistema.

Repita el procedimiento con la otra barra. Antes de desconectar las mangueras y cambiar

las barras, asegúrese que el agua y la barra inicial se hayan enfriado lo suficiente.

Análisis

- Grafique la longitud de cada barra en función de la temperatura para el intervalo de

temperaturas estudiado.

- A partir de las gráficas, obtenga el coeficiente de dilatación lineal para cada material con

su respectiva incertidumbre.

- Compare el valor obtenido con el de la literatura

- ¿Están las barras en equilibrio térmico cuando su longitud se estabiliza en cada

medición?

BIBLIOGRAFIA

-Física Universitaria Sear-Zemansky (Volumen 1). Decimo Segunda Edición. Hugh D.

Young (Carnegie Mellon University). Roger A. Freedman (University California, Santa

Bárbara). Impreso en México.

-http://www.ld-didactic.de/literatur/hb/p_index_e.html#

Guía elaborada por los estudiantes Juan M. Castro, Gonzalo Ramírez, Alejandro Jara, Sebastián

Ordoñez bajo la asesoría del profesor Carlos Uribe