lab oratorio 2 de fisica ii dilatacion lineal
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República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para La Defensa
Universidad Nacional Experimental Politécnica De la Fuerza Armada Bolivariana
Núcleo-Maracay
Asignatura: Integrantes:
Laboratorio de Física II Muñoz, Joan C.I.19604055
Profesor: Velásquez. Josman C.I: 20110177
Miguel Carrasco Zambrano, Héctor C.I: 20244041
Sección IC.303
Maracay, 17 de Junio de 2011
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Índice.
Contenido Pagina
Objetivos del Experimento 3
Marco teórico 4 a la 8
Materiales y Equipos a Usar 9
Descripción de los Equipos 9 a la 10
Montaje 11
Procedimiento Experimental 12 a la 13
Cálculos Experimentales 14 a la 19
Análisis de Resultados 20
Conclusión 21
Bibliografía Consultada 22
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Objetivos del Experimento.
1. Analizar y comprender los principios fundamentales de la dilatación térmica
específicamente en la dilatación lineal.
2. Ver el cambio de Longitud en 4 varillas de diferente material de longitud
inicial equivalentes, a las cuales se les aplica una transferencia de energía
denominada calor la cual tendrá un impacto significativo en el cambio de
temperatura en el sólido, la cual es fundamental para la experimentación en
estudio.
3. Realizar los estudios y cálculos correspondientes basados en la dilatación
lineal, con el fin de demostrar este principio térmico.
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Marco Teórico
Es de vital importancia antes de comenzar esta experimentación manejar
los conceptos previos que nos facilitara la comprensión a lo largo de la práctica,
por lo cual lo más idóneo es realizar una serie de definiciones inherentes al tema
de estudio.
Destacando principalmente los méritos al autor en el cual nos basamos
para realizar el análisis y cada definición de esta práctica como lo es “Raymon A
Serway y John W, Jewett Jr” Autores principales de la obra “Fisca II para ciencias
e Ingenierías 6ta Edición” bajo la editorial “Thomson”.
Como también al aporte encontrado indagando en páginas como:
www.wikipedia.com/dilataciontermica
www.monografias.com/dilatacionlineal
Entre otros.
Introducción a la Térmica.
La térmica estudia el intercambio de energía en sus diversas formas, su
interacción con los equipos, las propiedades de la materia y el uso racional de la
energía.
Temperatura.
Es la propiedad del estado de un sistema que determina si este se
encuentra o no en equilibrio térmico con otro sistema. Cuando dos sistemas están
en equilibrio térmico, básicamente tienen una temperatura común. La temperatura
es el parámetro que determina si un sistema transferirá o no energía térmica a su
entorno.
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Calor.
Es el proceso de transferencia de energía de un sistema a otro, en virtud
únicamente de las diferencias entre sus temperaturas
Termómetro.
Es el dispositivo que permite registrar la temperatura de otro sistema
cuando está en equilibrio con él, cabe destacar que la escala de temperatura se
basa en estados reproducibles, es este experimentación utilizaremos la unidad
, para definir los valores de la temperatura.
Dilatación térmica.
Cuando se calienta un cuerpo sólido, la energía cinética de sus átomos
aumenta de tal modo que las distancias entre las moléculas crece, expandiéndose
así el cuerpo o contrayéndose si se enfría.
Estas expansiones y contracciones causadas por una variación de
temperatura en el medio que le rodea se denominan dilatación térmica.
Dilatómetro.
Dilatómetro es un instrumento científico para medir el cambio del volumen.
Son instrumentos utilizados para medir la expansión/contracción relativa de
sólidos en diferentes temperaturas.
En consecuencia es un instrumento que sirve para medir el alargamiento
que experimenta un cuerpo al incrementar la temperatura. La medición ayuda a
encontrar el coeficiente de contracción o dilatación de un material en particular.
Un uso familiar de dilatómetro es el termómetro de mercurio, en el cual el
cambio en el volumen de la columna del líquido se lee de una escala graduada.
Porque el mercurio tiene una expansión termal bastante constante sobre gamas
de temperaturas normales, los cambios de volumen se pueden relacionar
directamente con la temperatura.
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Causa de la dilatación lineal.
En un sólido las moléculas tienen una posición razonablemente fija dentro
de él. Cada átomo de la red cristalina vibra sometido a una fuerza asociada a un
pozo de potencial, la amplitud del movimiento dentro de dicho pozo dependerá de
la energía total de átomo o molécula. Al absorber calor, la energía cinética
promedio de las moléculas aumenta y con ella la amplitud media del movimiento
vibraciones (ya que la energía total será mayor tras la absorción de calor). El
efecto combinado de este incremento es lo que da el aumento de volumen del
cuerpo.
Coeficientes de dilatación.
De forma general, durante una transferencia de calor, la energía que está
almacenada en los enlaces intermoleculares entre dos átomos cambia. Cuando la
energía almacenada aumenta, también lo hace la longitud de estos enlaces. Así,
los sólidos normalmente se expanden al calentarse y se contraen al enfriarse; este
comportamiento de respuesta ante la temperatura se expresa mediante el
coeficiente de dilatación térmica (típicamente expresado en unidades de °C-1).
Por Lo Tanto Una Vez Comprendido Los Conceptos Previos A La
Práctica En Estudio Podemos Deducir En Función De La Experimentación A
Realizar Que:
Si calentemos una varilla, su Longitud aumenta. Los materiales (los
coeficientes y todo) están constituidos por átomos, entre más lejos están unos de
otros, se atraen, y entre más cerca estén, se repelen. Entonces al aplicar un
cambio de Temperatura en una varilla (o material) los átomos que la componen,
aceleran su movimiento, así chocando unos con otros. Por esto la varilla tiende a
cambiar su Longitud para que sus átomos vuelvan a estar estables.
Este cambio de Longitud de la varilla se llama un cambio de Dilatación
Lineal. Estos cambios en su longitud dependen de los siguientes factores de la
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temperatura que cambia, de la Longitud inicial de esta, de la presión y del material
con que está hecha la varilla o el objeto solido en estudio.
Tenemos una gran variedad de materiales distintos, en esta
experimentación utilizaremos varillas solidas de Acero, Bronce y Aluminio y cada
uno de ellas, se dilata de distinta manera, por ende su longitud final cambiara en
valores diferentes.
En el siguiente experimento, el único factor que cambia es el material por
consiguiente el coeficiente de dilatación lineal será diferente, por lo tanto, las
distintas varillas debería variar la longitud final.
El coeficiente de dilatación Lineal .
Representa el aumento de la unidad de longitud cuando se aplica un
aumento de temperatura de en 1ºC. Cada material solido tiene su propio
coeficiente de dilatación lineal, dicho coeficiente viene dado por la fórmula:
Pero como físicamente toda magnitud tiene un margen de error también
tenemos que definir el error en el cálculo del coeficiente de dilatación lineal que
viene dado por:
|
| |
| |
|
Destacando que por operaciones matemática y aplicación de derivadas
parciales se ha deducido la formula anterior, tales operaciones no han sido
adjuntadas en este marco teórico ya que hemos considerado que no es de vital
importancia para nuestras finalidades en el experimento las cuales son de carácter
físico, tener tal proceso matemático en vista que ya se nos ha facilitado la formula
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principal. Pero para conocer más a fondo tal proceso podemos consultar cualquier
libro de física II.
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Diseño Experimental.
Materiales y equipos a utilizar :
Generador de agua (cocina y recipiente con agua)
Termómetro
Cinta métrica
Manguera de polipropileno transparente para agua caliente
Vaso precipitado
Dilatómetro
Barras de acero, aluminio y bronce
Descripción de los equipos.
Material plástico para laboratorio. Manguera de
polipropileno. Diámetro
interno 6 mm. Extensión: 2
metros.
Vaso de precipitados
Es un recipiente cilíndrico de vidrio fino que se utiliza en
el laboratorio, sobre todo, para preparar o calentar sustancias y
trasvasar líquidos. Suele llevar marcada una escala graduada en
mililitros, que permite medir distintos volúmenes, aunque no con gran precisión.
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Cinta métrica
La cinta métrica utilizada en medición de distancias se
construye en una delgada lámina de acero, aluminio o de fibra
de vidrio.
Termómetro
El metal base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada.
Dilatómetro
Este aparato permite medir de modo muy preciso, el coeficiente de
dilatación de los metales de los cuales están hechos los dos tubos en los que se
hace pasar el vapor acuoso producido por el generador de vapor.
El aparato viene suministrado completo de comparador, termómetro y vaso.
Dimensiones 70x10 cm.
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Montaje.
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Procedimiento experimental
A continuación se explicará de manera detallada los pasos que se tienen
que realizar para llevar a cabo con éxito esta práctica:
1. En este laboratorio trataremos de obtener el coeficiente de dilatación de
tres varillas o barras de materiales diferentes, para ello disponemos de un
dilatómetro.
2. Escoger la barra a la cual se le va a realizar el estudio, en este caso la
barra de acero, aluminio y bronce respectivamente.
3. En uno de los extremos del dilatómetro se encuentra una entrada de vapor,
esté vapor deberá pasar por el interior del tubo, para ello se hace hervir
agua en la cocinilla o generador de vapor.
4. Antes de iniciar su trabajo se debe tener conectado el termómetro y el
medidor micrométrico del dilatómetro debe estar en cero.
5. Realizar la medición de la longitud inicial de cada una de las barras
escogidas para la realización de esta práctica.
6. Realizar una simulación de cómo se debe introducir de manera correcta la
barra correspondiente en los soportes del dinamómetro para evitar perder
tiempo en esta actividad debido a la inexperiencia de los alumnos.
7. Asignar a cada uno de los integrantes del grupo una función específica a la
hora de tomar los datos.
8. Luego de asignar la función a cada uno de los integrantes se procederá a
ingresar la barra correspondiente dentro del dilatómetro la cual
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permanecerá allí unos cuantos minutos dependiendo del material de la
barra.
9. Hay que estar atentos a los cambios y sonidos que puedan existir mientras
la barra está dentro del dilatómetro.
10. Luego de haber transcurrido el tiempo necesario se procederá a tomar
nuevamente los datos debido a que la temperatura se registrara mucho
más alta y hay que estar atentos a identificar la temperatura máxima que
registrara el termómetro.
11. Tomar los datos de las medidas obtenidas luego de ser retirada la barra del
dilatómetro (dilatación de la barra).
12. Una vez obtenidos los datos de manera experimental, el grupo procederá a
realizar los cálculos correspondientes a esta práctica, para que de esta
manera se pueda obtener el resultado solicitado.
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Cálculos Experimentales.
Dilatación Lineal de una Varilla de Bronce
1) Datos Principales
2) Calculando Variación de Temperatura.
3) Calculando Variación de Longitud.
4) Calculando Coeficiente de Dilatación Lineal.
5) Calculando Variación del Coeficiente de Dilatación Lineal.
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| |
| |
|
“Diferencia dada por el
dilatómetro directamente”
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Dónde:
Variación de la Variación de la Longitud
Variación de la Variación de la Temperatura
6) Una vez definido todos los valores a utilizar, seguidamente
sustituimos tales valores en la fórmula de .
|
| |
| |
|
(Resolviendo, las unidades [cm] se cancelan conjuntamente en la operación
matemática).por lo tanto el resultado es el siguiente:
1) Calculo de Errores en el coeficiente de dilatación lineal.
Dónde:
Error Absoluto| |
| | ( ) (
) | |
Error Relativo
| |
Error Porcentual
Ambos valores se
obtiene de la suma de la
apreciación del
instrumento con el cual
se obtuvieron las
magnitudes principales
en estudio.
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Dilatación Lineal de una Varilla de Acero.
2) Datos Principales
3) Calculando Variación de Temperatura.
4) Calculando Variación de Longitud.
5) Calculando Coeficiente de Dilatación Lineal.
6) Calculando Variación del Coeficiente de Dilatación Lineal.
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| |
| |
|
“Diferencia dada por el
dilatómetro directamente”
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Dónde:
Variación de la Variación de la Longitud
Variación de la Variación de la Temperatura
7) Una vez definido todos los valores a utilizar, seguidamente
sustituimos tales valores en la fórmula de .
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| |
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|
(Resolviendo, las unidades [cm] se cancelan conjuntamente en la operación
matemática).por lo tanto el resultado es el siguiente:
8) Calculo de Errores en el coeficiente de dilatación lineal.
Dónde:
Error Absoluto| |
| | ( ) (
) | |
Error Relativo
| |
Error Porcentual
Ambos valores se
obtiene de la suma de la
apreciación del
instrumento con el cual
se obtuvieron las
magnitudes principales
en estudio.
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Dilatación Lineal de una Varilla de Aluminio.
1) Datos Principales
2) Calculando Variación de Temperatura.
3) Calculando Variación de Longitud.
4) Calculando Coeficiente de Dilatación Lineal.
5) Calculando Variación del Coeficiente de Dilatación Lineal.
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“Diferencia dada por el
dilatómetro directamente”
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Dónde:
Variación de la Variación de la Longitud
Variación de la Variación de la Temperatura
6) Una vez definido todos los valores a utilizar, seguidamente
sustituimos tales valores en la fórmula de .
|
| |
| |
|
(Resolviendo, las unidades [cm] se cancelan conjuntamente en la operación
matemática).por lo tanto el resultado es el siguiente:
1) Calculo de Errores en el coeficiente de dilatación lineal.
Dónde:
Error Absoluto| |
| | ( ) (
) | |
Error Relativo
| |
Error Porcentual
Ambos valores se
obtiene de la suma de la
apreciación del
instrumento con el cual
se obtuvieron las
magnitudes principales
en estudio.
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Análisis de Resultados.
Coeficientes de Dilatación Lineal Experimental.
Coeficiente de dilatación Teórica.
( ) (
)
Analíticamente es posible denotar que hubo una aproximación
bastante considerable del valor experimental del coeficiente de dilatación
lineal respecto al valor teórico, en el caso de la varilla de acero y bronce,
bajo las condiciones en las cuales se realizó la experimentación, las cuales
no son exactamente las mismas en la cual se realizaron la del valor teórico
se le puede considerar un buen coeficiente de dilatación lineal, también se
puedo apreciar que los márgenes de error podrían decirse que están entre
los márgenes aceptados, pero pude haber sido mejor si se hubiese
trabajado en óptimas condiciones.
En el caso de la varilla de bronce podemos apreciar que hubo un
error ya sea al haber tomado alguna medida, o lectura de la longitud dada
por el dilatómetro o metro, o temperatura dada por el termómetro, dicho
error influyo en el aumento considerable del coeficiente de dilatación lineal
para este sólido.
Nuestra recomendación para próximos experimentos de dilatación
lineal, es estar más atentos en las lecturas de los instrumentos de medición
utilizados, y de una u otra manera tratar de reducir los factores negativos
que intervenga en el desarrollo de la práctica, ya sea falta de atención por
parte del observador, o simplemente desconocimiento del tema de estudio.
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Conclusión.
En conclusión se puede afirmar que el procedimiento para la realización de
la práctica es sencillo, pero la falta de resultados reales comprobados con los
numéricos y de laboratorio hace que posiblemente la lectura de algunas medidas
no se realice correctamente y no sea posible deducir las incógnitas o resultados
deseados.
Para ello es necesario saber trabajar con los instrumentos de laboratorio o
por los menos conocer sus nombres, como se utiliza y si es posible el error de
apreciación de cada uno de ellos para así facilitar el trabajo y adquirir de manera
más rápida y satisfactoria los conocimientos y experiencias de la práctica.
Cuando aumentamos la temperatura de un cuerpo, la mayoría de las veces
se produce un aumento de su volumen esto se debe a que la temperatura altera
las propiedades de los materiales, en el caso de esta práctica pudimos observar
los cambios de sufrieron cada una de las varillas al ser introducidas en el
dilatómetro produciendo una variación en el coeficiente de dilatación.
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Bibliografía Consultada.
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termoestatica/tb01_dilatacion.php
http://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_dilataci%C3%B3n
http://www.portalplanetasedna.com.ar/dilatacion.htm
www.monografias.com/dilatacionlineal
Raymon A Serway y John W, Jewett Jr Física II 6ta edición.
Curso de Materiales, Escuela Colombiana de Ingeniería. Laboratorio de
Producción. Dilatación Térmica.