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Universidad de La Serena Departamento de Física y Astronomía Experiencia Nº 8: Dilatación de sólidos

Laboratorio de Biofísica

EXPERIENCIA N°8: Dilatación de Sólidos

OBJETIVOS:

• Analizar los efectos del cambio de temperatura en sólidos. • Calcular, comparar y analizar el coeficiente de dilatación lineal, 𝛼. • Identificar a partir del coeficiente de dilatación 𝛼 el tipo de material de un sólido. • Demostrar la relación empírica (relaciones matemáticas obtenidas de los

resultados experimentales) entre las diferentes variables involucradas en el fenómeno.

• Montar y operar un dilatómetro. PROBLEMA INICIAL:

En el laboratorio de biofísica Camila y Pedro disponen de un dispositivo llamado dilatómetro, que consta de un tubo el cual se le introduce en su interior una varilla que queda conectada a ambos extremos de un soporte, un termómetro que mide la temperatura de la varilla y un medidor micrométrico que mide su longitud. Ver figura1.

En uno de los extremos de este tubo se encuentra una entrada de vapor, éste vapor pasa por el interior de dicho tubo, para que sucediera esto tuvieron que hervir agua en una cocinilla. Luego de esperan un momento, observan que tanto el termómetro como el medidor micrométrico del dispositivo comienzan a variar .De acuerdo a lo realizado por Camila y Pedro responda. a) ¿Qué cree que le está pasando al sistema, para que

los valores del termómetro y del tornillo micrométrico cambien?. Indique las variables que están influyendo en este cambio.

b)¿Cómo podría representar gráficamente Camila y Pedro las variables para poder visualizar con claridad el grado de dependencia entre ellas, y con ello poder fundamentar lo observado en el laboratorio?.

Figura1: Dilatómetro



ANTECEDENTES TEÓRICOS

La temperatura es una magnitud física de tipo fundamental que está relacionada con la energía interna de los sistemas termodinámicos, esto quiere decir, que se relaciona con el grado de agitación que poseen las partículas que componen la materia. La relación entre dicha energía interna y la temperatura es directa, ya que a mayor nivel de agitación de las partículas diremos que la materia se encuentra a mayor temperatura y, así mismo, en el caso de un bajo nivel de agitación de partículas diremos que la materia se encuentra a temperaturas más bajas. Como la temperatura se relaciona con el movimiento de las partículas, los cambios de temperatura en un sistema generan además cambios en la estructura interna de los cuerpos, a este fenómeno se le conoce como dilatación (o contracción) térmica. Dependiendo de la geometría del cuerpo que se somete a cambios de temperatura experimenta distintos tipos de dilatación. Para efectos de esta experiencia mencionaremos solo el caso de la dilatación lineal, el cual consiste en un aumento en la longitud de algún material que tiene sus demás dimensiones despreciables. Por ejemplo, una vara larga y delgada. Matemáticamente, la dilatación lineal obedece la siguiente relación:

∆𝐿 = 𝐿! − 𝐿! = 𝐿!𝛼∆𝑇 (1)

De donde: 𝐿!: Longitud que inicialmente tiene el objeto 𝑚 . 𝐿!: Longitud que se mide posterior al proceso de dilatación 𝑚 . ∆𝑇: Diferencia entre la temperatura que el cuerpo adquiere posterior al proceso de dilatación y la temperatura que tiene inicialmente 𝐾 . 𝛼: Coeficiente de dilatación lineal 𝐾!! . El coeficiente de dilatación lineal es un valor específico de cada material y representa el alargamiento que experimenta la unidad de longitud de un sólido cuando su temperatura se eleva en 1 grado Kelvin. A continuación, la tabla 1 muestra los valores de coeficiente dilatación lineal de algunos materiales conocidos: Tabla 1. Coeficiente de dilatación lineal

Material Coeficiente de dilatación lineal 𝜶 (𝟏𝟎!𝟓 °𝑪!𝟏)

Aluminio 2.4 Cobre 1.7 Plomo 2.9



ACTIVIDADES En este laboratorio trataremos de obtener el coeficiente de dilatación lineal de una

varilla, para ello Ud. dispone de un dilatómetro, como el que se muestra en la figura 1.

1. Elija una varilla, que se encontrará sobre su mesón de trabajo y mida el largo inicial (L0).

2. Introduzca la varilla al interior del tubo del dilatómetro, asegurarse que ella esté conectada a ambos extremos de soporte.

3. En uno de los extremos de este tubo se encuentra una entrada de vapor, éste vapor deberá pasar por el interior del tubo, para ello se hace hervir aproximadamente 200 ml de agua en la cocinilla.

4. Antes de iniciar su trabajo se debe tener conectado el termómetro y el medidor micrométrico del dilatómetro debe estar en cero.

5. El termómetro debe alcanzar el equilibrio térmico. Una vez que este equilibrio se ha alcanzado, anote la temperatura que marca. Esta será T0

6. Conecte las mangueras látex como se indica en la figura 1 y espere a que el vapor del agua en ebullición lleve a la varilla hasta la temperatura máxima, que es un poco arriba de 85 oC.

7. Una vez que observe que la varilla ha alcanzado la máxima temperatura, mire el tornillo micrométrico y mida el cambio de longitud que ha sufrido y la temperatura correspondiente. Registre sus datos en la Tabla 1.

8. Grafique los cambios de longitud de la varilla en función de los cambios de temperatura experimentados.

¡ATENCIÓN!

En todo el experimento tenga cuidado con el fuego y el vapor de agua los cuales pueden producir graves quemaduras.



REGISTRO DE DATOS Dilatación de Sólidos

NOMBRES: 1. _______________________________________ FECHA: _____________ 2. _______________________________________ GRUPO: ____________ 1.- Coeficiente de Dilatación Lineal

Tabla 1:

2.- Cálculo de error porcentual:

Compare el valor del coeficiente de dilatación lineal teórico del material de la barra con el encontrado experimentalmente y encuentre el error porcentual.

𝜀% =𝛼𝒕𝒆ó𝒓𝒊𝒄𝒐 − 𝛼!"#

𝛼𝒕𝒆ó𝒓𝒊𝒄𝒐∙ 100 = ____________%

Valores Constantes:

Material:

Temperatura Inicial (To): (°𝐶)

Largo Inicial(Lo): (𝑚𝑚)

Nº de medición ∆𝐿 (𝑚𝑚) 𝑇 (°𝐶)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

EcuacióndeAjuntedelagráfica:

𝛼!"#$%&':

𝛼!"#.:



ANALICE Y RESPONDA LAS SIGUIENTES PREGUNTAS:

1. Analice físicamente el coeficiente de dilatación encontrado y compare con otros materiales.

2. ¿Cómo es el error obtenido en el experimento? ¿Cuáles son las principales fuentes de error?

3. ¿Cuál es el coeficiente de dilatación volumétrico del material, según el resultado que obtuvo para el coeficiente de dilatación lineal del mismo? Investigue si existe algún tipo de terapia kinesiológica que utilice los conceptos de dilatación y contracción térmica.

4. Analice la deferencia que existe entre elasticidad y plasticidad. Para ello puede analizar el diagrama esfuerzo v/s deformación de un material dúctil sometido a una tensión.

5. ¿Por qué no se rompen los dientes con tapaduras, si nuestra boca está sometida a constantes cambios de temperatura?

6. ¿Cuáles creen que son la o las razones por las que algunos elementos se quiebran al someterse a cambios bruscos de temperatura?

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