Dilatación de los sólidos Experiencia

Experiencia 1: Dilatación de los sólidos

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Resumen: Esta experiencia tiene como objeto comprender, analizar, y obtener el crecimiento de cierto material respecto a un cambio de temperatura. Este fenómeno propio de todos los materiales se somete a estudio de manera controlada del cual se obtienen datos, a través del programa dataStudio, como ∆L: variación de longitud de material, y ∆T: variación de temperatura, además por medición directa se obtiene Li: Longitud inicial del material de estudio. El principal objetivo es determinar el coeficiente de dilatación lineal ([pic 1][pic 2]) definido como: [pic 3][pic 4], obteniendo resultados dentro del margen de error estimado.

1. Introducción:

Es una gran interrogante que se ha formado durante nuestra etapa de crecimiento el por qué dejaban un espacio entre rieles de las líneas de tren, pensábamos en que los constructores de dicho riel se habían equivocado en medir, o que simplemente era para optimizar el uso de material. Pero luego de comenzar a entender el comportamiento de los materiales cuando son sometidos a calor, nos encontramos con un fenómeno particular de estos, llamado dilatación lineal, luego nuestras grandes interrogantes al respecto se volvían respuestas ordinarias, incluso triviales.

En esta experiencia, se espera obtener dicho coeficiente de dilatación lineal, el cual, de cierta manera, condiciona la varianza de longitud de un material.

Además se espera el cálculo de este dentro de un margen de error del 20% con una elasticidad del 5%.

1. ¿Qué entiende por dilatación lineal?: 

La dilatación lineal es el crecimiento de un material sometido a una variación de temperatura. Esta se produce por el espaciamiento que  se provoca  en los átomos del material al ser sometido a un cambio de temperatura, si la temperatura del solido aumenta la energía interna de los átomos es mayor por lo que estos oscilan más, aumentando la separación entre ellos y como resultado el sólido se expande.  Se entiende como el alargamiento del material a lo largo de este siendo despreciable su ancho y alto.

Respecto a los cálculos el valor de la diferencia de longitud (o Dilatación Lineal), dependerá de tres factores: primero, del largo inicial; segundo, el cambio de temperatura y tercero, de un coeficiente de dilatación característico de cada material. La Dilatación lineal puede tomar tanto valores positivos como negativos, dependiendo si existe un aumento o disminución de temperatura respectivamente.

1. ¿Qué representa un coeficiente de dilatación lineal en los materiales?

Esta es una característica propia de cada material, representa la capacidad que posee un objeto para dilatarse o contraerse a medida que experimenta cambios en su temperatura, lo que implica que mientras el coeficiente sea mayor, más energía se necesitará para que experimente una variación en su longitud.
Este valor es proporcional a la variación de la longitud, es decir, para mayor valor del coeficiente de dilatación lineal, mayor será su variación de longitud respecto a la variación de temperatura que experimente.

1. Diseño del experimento

Este ensayo se llevara a cabo  solo  una vez por la sensibilidad del experimento y los instrumentos de medición utilizados, ya que al existir alguna equivocación en la toma de datos significaría a que el sistema vuelva a estar a la temperatura inicial aceptable para una nueva medición de los materiales. El diseño consiste en el uso de una fuente de energía, un calentador de agua, esta última es calentada hasta su ebullición, trasmitiendo el vapor por medio de una manguera hasta el hueco de la barra, aumentando la temperatura de esta, la variación de temperatura será registrada por el sensor termistor y la posición por el sensor de rotación todo esto en función del tiempo.

El objetivo es analizar el cambio de longitud que experimenta una barra al dilatarse por ser sometida a un brusco cambio de temperatura. Los Valores serán medidos por el sensor de rotación y el termistor.

[pic 5]

Figura 1: “calentador de agua-manguera conectada a la barra”

[pic 6]

Figura 2: “Fijador-Termistor-sensor rotativo-barra de cobre”

1. Desarrollo del experimento

Para comenzar a desarrollar el experimento se conecta la interfaz de Science Workshop al computador, se enciende la interfaz y el computador, para así conectar el sensor de rotación y el termistor.

Realizado lo anterior, se debe tener en cuenta que las unidades de temperatura vienen dadas en Celsius, así que solo se predefine la posición en milímetros en el sensor de movimiento de rotación.

Se mide la varilla de cobre a temperatura ambiente, a continuación se coloca la varilla en el esquema nuevamente y se rigidiza para evitar el movimiento por la acción del calor.

Se vacía agua al generador de vapor sin tratar de llenarlo completamente para que el proceso de evaporación del agua no sea tan largo, luego se inicia el DataStudio y se enciende el generador de vapor. Cuando comience a hervir, el vapor se traslada por mangueras de goma a la varilla de cobre, esto hará que la varilla se dilate y mueva el sensor de rotación. Al momento en que la temperatura se estabilice se procede a detener el DataStudio. El procedimiento anterior genera dos gráficas, en las cuales se observa la dilatación de la varilla de cobre en función del tiempo y el cambio de temperatura en que ocurrió dicha dilatación, pudiendo encontrarse ∆L y ∆T.

Para terminar, se calcula el coeficiente de dilatación lineal experimental, aplicando la fórmula de ésta, y también el porcentaje de error que se experimenta en la práctica.

1. Resultados y Análisis:

4.1) En base a las siguientes formulas, basaremos los cálculos del Laboratorio 1 y su correspondiente análisis.

1. Coeficiente de Dilatacion Lineal:

α = ( 1 / Li )( dL / dT )

α= ( 1/Li )( ∆ L / ∆T )

Donde:

• α: Coeficiente de Dilatación lineal
• Li: Largo Inicial
• ∆L: Largo final – Largo inicial
• ∆T: Temperatura final – Temperatura inicial.

1. Error porcentual:

[pic 7]

Ensayo con la barra de Cobre:

Datos obtenidos después de realizar el experimento.

• Largo inicial = 0.431 metros
• ∆L = Posición final – Posición inicial = 6.889 x10-4
• Temperatura inicial = 26°C
• Temperatura final = 89°C
• ∆T = T final – T inicial = 63°C

[pic 8]

Figura 3: “Grafico [pic 9][pic 10]de la barra de cobre”

 [pic 11]

Figura 4: “Grafico [pic 12][pic 13] de la barra de cobre”

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