LABORATORIO DE FISICA

EXPANSIÓN TÉRMICA: DILATACIÓN LINEAL

1. OBJETIVO:

Determinar el coeficiente de dilatación lineal de dos varillas metálicas.

Identificar las variables que intervienen en el coeficiente de dilatación lineal

2. BASES CONCEPTUALES

Se denomina dilatación térmica al aumento en la longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. La contracción térmica es la disminución de propiedades métricas por disminución de la misma.

Dilatación lineal: La experiencia muestra que para un cuerpo en forma de barra, la variación de longitud ∆L con la temperatura es proporcional a la longitud inicial Lo y a la variación de temperatura ∆T y depende del material del cuerpo.

∆L=∝L_0 ∆T

Coeficiente de dilatación lineal se calcula con la expresión: ∝=∆L/(L_0 ∆T) (℃)^(-1)

3. MATERIALES

Material de soporte (2 bases universales, 2 varillas de soporte de 300mm,1 varilla de soporte de 500mm, 2 manguitos en cruz )

2 tubos con gradilla o muesca, l=400mm,∅=6mm (acero y latón)

1 acople provisto de rosca interna para tubos

1 espiga de eje, 30mm

1 rodillo con indicador, 300mm

1 polea 20mm

1 escala, 1 indicador

Recipientes (1 recipiente Erlenmeyer, 100ml, 1 recipiente de precipitados, 200ml)

Tubos (1 tubo de cristal corto en L,2 tubos de goma de diferente diámetro y largo cada uno, 1 tapón con doble perforación )

2 masas una de 50g y otra de 100g

1 flexómetro

1 pinza

1 placa de calentamiento (Hornilla) con una tela de alambre

1 termómetro, agua

TRAER: 1 par de guantes para soporte de calor

4. MÉTODO

Armar el equipo experimental, revisando que todo se encuentre en buen estado,

Determinar la longitud inicial Lo de uno de los tubos, con el flexómetro y medir la temperatura inicial To del agua fría con el termómetro

Colocar cierta cantidad de agua en el recipiente Erlenmeyer y encender la hornilla, registrar la temperatura T de ebullición del agua, en el momento que se estabilice, luego medir la dilatación de la varilla ∆L, en la escala, haciendo la relación 1:100

Repetir el procedimiento con la otra varilla y completar la tabla de valores

Varillas Lo(m) ∆L (m) To (0C) T (0C) ∆T (0C)

Acero

Latón

TRABAJOS:

Determinar el incremento de longitud, utilizando la escala. 1:100

Determinar el incremento de temperatura

Calcular el coeficiente de dilatación lineal de cada varilla (Valor experimental)

Consulte los coeficientes de dilatación en el texto Física de Serway volumen I pág, 575 (Valor teórico)

Calcular el error porcentual de los coeficiente de dilatación para cada varilla

5. CUESTIONARIO DE INVESTIGACIÓN

Dos esferas se elaboran del mismo metal y tienen el mismo radio, pero una es hueca y la otra sólida. Las esferas se someten al mismo aumento de temperatura. ¿Cuál esfera se expande más? (a) La esfera sólida se expande más. (b) La esfera hueca se expande más. (c) Ambas se expanden en la misma cantidad. (d) No hay suficiente información para decirlo. Explicar

Las tapas metálicas en los frascos de vidrio con frecuencia se aflojan al pasar agua caliente sobre ellas. ¿Por qué funciona esto?

Deducir la relación matemática que hay entre los coeficientes de dilatación lineal, superficial y volumétrica

¿Qué significa que el coeficiente de dilatación lineal del aluminio sea 24.10-6 1/ºC?

¿Por qué una línea eléctrica es más propensa a romperse en invierno que en verano, incluso si está cargada con el mismo peso?

6. BIBLIOGRAFÍA

BIBLIOGRAPHY \l 3082 Alvarenga, B., & Ribeiro, A. (2008). Física General. México: Oxford Universities Press.

Resnick, R., Halliday, D., & Krane, K. S. (2003). Física . México: Continental.

Serway Raymond A., JewettJhon W. Jr. (2014). Física Para ciencias e ingenierías, (Novena ed., Vol. 1). México: CengageLearnig.

Vallejo, P., & Zambrano, J. (2008). Física Vectorial. Quito: RODIN.

CALORIMETRÍA

1. OBJETIVOS:

Determinar experimentalmente el equivalente en agua del calorímetro.

Establecer experimentalmente la temperatura de equilibrio (final) de una mezcla y el calor específico de un cuerpo.

2. BASES CONCEPTUALES

La energía interna es toda la energía de un sistema que se asocia con todos sus componentes microscópicos, átomos y moléculas, cuando se observa desde un marco de referencia en reposo respecto al centro de masa del sistema

Calor es el proceso de transferencia de energía a través de la frontera de un sistema, que resulta de una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores. El símbolo Q representa la cantidad de energía transferida por este proceso (Serway pág.591, 592)

En el intercambio energético, por la ley de conservación de energía se tiene que la cantidad de energía cedida por el cuerpo de mayor temperatura es igual a la cantidad de calor absorbida por el cuerpo de menor temperatura, ésta es conocida como la ley fundamental del intercambio de calor y se expresa mediante la ecuación 1.

Qcedido+Qabsorbido=0 Ec: 1

Cuando dos cuerpos, de diferente temperatura, que se encuentran en contacto tienden a igualar su temperatura después de transcurrido cierto tiempo mediante la transferencia de energía del uno (más caliente) hacia el otro (más frío), se dice que han llegado a un equilibrio térmico.

La caloría (cal), se define como la cantidad de transferencia de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5°C a 15.5°C. (La “Caloría”, escrita con C mayúscula y que se emplea para describir el contenido energético de los alimentos, es en realidad una kilocaloría.)

1 cal = 4.186 J Esta igualdad se conoce, por razones meramente históricas, como el equivalente mecánico del calor. Un nombre más conveniente sería equivalencia entre energía mecánica y energía interna

Calor específico (c) El calor específico de una sustancia es la capacidad térmica por unidad de masa.

c=Q/(m.∆T) Ec: 2

Un calorímetro es un recipiente que aísla térmicamente a los objetos colocados en su interior, es decir impide la transferencia de calor del interior hacia el exterior y viceversa.

Los elementos básicos de un calorímetro son:

Un vaso calorimétrico (calorímetro), que se aísla del exterior introduciéndolo dentro de otro mayor y evitando el contacto entre ambos mediante la interposición de un material como el corcho, la goma, espuma flex, aire, etc.

Un termómetro mide la temperatura dentro del vaso. Se dispone de manera que pase por un orificio de la tapa mientras su escala se mantiene visible desde el exterior.

Un agitador, que permite acelerar el proceso de llegada al equilibrio térmico. Se dispone también de manera que penetre desde el exterior a través de otro orificio en la tapa.

En la práctica, los cuerpos introducidos en el calorímetro intercambian calor con el vaso, el agitador y el termómetro, además del que intercambian con el agua.

Pero el calorímetro, el termómetro, el agitador, etc., absorben calor, para simplificar la operación de hallar las masas y los calores específicos (a veces desconocidos) de cada elemento, se calcula el Equivalente en agua del Calorímetro, que no es otra cosa que una masa de agua hipotética (significa pensar que en vez de un recipiente, se tiene una determinada cantidad de agua) que intercambiará la misma cantidad de calor que dichos elementos y que es característica de cada aparato.

Es importante tener presente que el equivalente en agua no es deducible de ninguna expresión teórica, sino que debe determinarse experimentalmente en cada caso particular.

Calor específico del agua: c=4 186 J/kg.0C

3. MATERIALES

Calorímetro

Termómetro

Balanza

Disco de amianto

Fuente de calor

Vaso de precipitados, 100ml

Vaso de precipitados, 250ml

Matraz Erlenmeyer, 100ml

Probeta graduada A=……ml

Pinza para vaso de precipitados

Grapas: aluminio, acero, cobre.

Agua.

TRAER: 1 tubo pequeño de hilo (piola)

4. MÉTODO

Determinar el Equivalente en agua del calorímetro.

Mezcla 1

Introducir 75 ml (m1) de agua a temperatura ambiente al calorímetro, medir la temperatura (T1) después de 2 minutos.

Calentar 75 ml (m2) de agua hasta 60 ⁰C (T2). En el vaso de precipitados (no en el calorímetro)

Introducir rápidamente el agua caliente en el calorímetro, tapamos y agitamos.

Medimos la temperatura final o de equilibrio de la mezcla (Tf), cuando ésta se estabiliza.

Según la ley fundamental del intercambio de calor se obtiene la ecuación:

m2.c_agua.(Tf-T2)+(m1+E) c_agua.(Tf-T1)=0 Ec: 3

Determinar m_cal =E, que es el equivalente en agua del calorímetro, a través de la ecuación siguiente:

m_cal=

TABLA 1

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