INFORME 3_PROPIEDADES TERMICA

Introducción [pic 2]

Para la primera parte comenzamos con el cálculo de calor especifico a partir de observaciones y experimentemos ya establecidos para diferentes muestras metálicas, en este caso analizaremos dicha propiedad para el aluminio, cobre y plomo, utilizando como método de cálculo la  técnica de mezclas, que  consiste en el intercambio de energía térmica entre dos materiales con diferentes  temperaturas hasta que ambos llegan al equilibrio térmico, haciendo cumplir la ley de conservación de la energía. [1]

Para la segunda parte el centro de atención  es la  observación de experimentos ya establecidos, al aplicar calor a tres barras metálicas cobre, hierro y aluminio, ya que de esta forma se  logra observar el fenómeno de dilatación lineal (una dimensión) de un material; Consiguiendo así concluir y analizar el material con mayor y menor coeficiente de dilatación lineal.

Para la tercera y última parte se midieron distintos metales a diferentes temperaturas para de esta forma encontrarlos valores de conductividad térmica y su incertidumbre para así analizar la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras adyacentes o a sustancias con las que está en contacto. Todo esto basado en experiencias realizadas en laboratorios físicos.

Marco teórico

El objetivo de la primera parte de  este informe es la medición  de una característica fundamental que posee cada substancia o elemento, denominada calor especifico. Por dicho motivo, se presenta a continuación una breve definición de los términos principales que se involucran en este experimento.

El calor específico  es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de un elemento o compuesto en un grado centígrado. En el sistema internacional sus unidades están dadas por J/ (Kg*K)

Dada la definición de calor se puede concluir que el calor absorbido o emitido por un cuerpo de masa “m” cuando su temperatura varía desde una temperatura T1 (inicial) hasta otra T2 (final) (ΔT = T2 - T1) estará dado por la siguiente ecuación:

Q=m*C_e*ΔT            (1)

 Donde, Ce, es el calor específico del material, Q es el calor, m es la masa del material.

Para averiguar los respectivos calores específicos, se emplea el método de mezclas. El cual consiste en dos masas que están a distinta temperatura que se ponen en contacto por este motivo, se produce un flujo de calor desde el que está a mayor temperatura hacia el que está a menor temperatura, hasta que entran en equilibrio térmico.

El calor específico de una sustancia cualquiera, puede ser determinado mediante la entrega de una cantidad de calor conocida a una medida de masa determinada de la sustancia y con un registro del cambio de temperatura. [2]

Además, se debe considerar que el calor específico de cada sustancia depende del estado en que ésta se encuentre, es decir, si se añade o sustrae calor durante un cambio de fase, no cambia la temperatura. Basándose de la  ley de Dulong y Petit, el calor específico molar de la mayor parte de los sólidos, a temperatura ambiente y por encima, es casi constante. A más baja temperatura, los calores específicos caen a medida que los procesos cuánticos se hacen significativos. [3]

El equipo de medida comúnmente usado  para determinar las medidas del calor, es el calorímetro,  el cual consta de un recipiente térmicamente aislado del exterior, la principal función del calorímetro es aislar el sistema para disminuir las pérdidas de calor. Sabiendo  el calor específico y la masa del agua utilizada, mediante la ecuación calorimétrica (1), se puede determinar la cantidad de calor emitida o absorbida por el agua.  El calor específico del agua es:

 1 Cal/ (g°C)=4,186 J/ (g°C)

El cambio de temperatura del agua, cuando entra en contacto con las muestras metálicas, está dado por:

〖∆T〗_H20 = T_equ – T_fria         (2)

Y el cambio de temperatura, cuando entra en contacto con el agua está dado por:

〖∆T〗_met = T_ebu – T_equ             (3)

La masa del agua está determinada por:

M_H2O=M_tot-(M_cal+M_met)           (4)

Con base a lo mostrado anteriormente respecto al flujo de calor, el calor perdido por el metal debe ser igual al calor ganado por el agua, cumpliendo así  la ley de la conservación de energía:

M_met*C_met*〖∆T〗_(met)= M_H2O*C_H2O*〖∆T〗_(H2O )     (5)

Para la segunda parte de este informe el objetivo primordial es el análisis  del coeficiente de dilatación lineal  para tres barras metálicas en este caso se trabajaran con materiales como el cobre, aluminio y hierro respectivamente, basándonos de observaciones y experimentos ya realizados [4].De esta forma podremos determinar el coeficiente de dilatación lineal de cada material que es una característica propia del material  

Dilatación lineal es el  número que  representa el aumento que adquiere la unidad de longitud (mm, Km, cm etc...) de una barra metálica para este caso,  cuando su temperatura se eleva en un grado Celsius.

Ecuaciones a usar para el cálculo de la dilatación lineal térmica

De la fórmula: [pic 3]= [pic 4][pic 5]

 Donde  [pic 6]= [pic 7]

[pic 8]

Dónde: [pic 9]longitud inicial (mm)

[pic 10]Longitud final (mm)

 [pic 11]= temperatura inicial (° C)

t=Temperatura final (° C 

[pic 12] Coeficiente de dilatación lineal ()

Entonces [pic 13] variación de longitud (mm) y [pic 14]variación de temperatura (° C)

Despejando: [pic 15] 

[pic 16][pic 17]

Por otro lado: [pic 18] (Coeficiente lineal de expansión)

[pic 19]

[pic 20]

[pic 21][pic 22]

Finalmente tenemos que:

[pic 23]

Donde las unidades estarán dadas por [pic 24][pic 25]

Para la tercera parte se quiere conocer la conductividad térmica para diversos materiales metálicos ya está una propiedad de los materiales necesaria para calcular los campos de temperatura, controlar algunos procesos de manufactura y aplicaciones donde las propiedades térmicas determinan el resultado, todo esto basado en un informe realizado  en la ciudad Querétaro, México [5].

Para  probar  la  operación  del  sistema  y  validar el método de medición, se miden muestras de acero inoxidable, bronce, aluminio, latón y cobre. Los valores que se obtienen se comparan con los datos publicados en la literatura especializada.

El método consiste en determinar la conductividad térmica de un material por comparación contra un material de referencia al establecer un estado permanente de flujo de calor en el sistema [6].El sistema está compuesto por tres barras, dos de ellas son de referencia con conductividad térmica conocida y una barra bajo medición. Las tres barras están aisladas térmicamente del ambiente para evitar el flujo de calor en la dirección radial.

Una fuente de calor se coloca en un extremo de la barra compuesta y el otro extremo está colocado en un sumidero (o fuente fría) de calor a temperatura controlada. En la Figura 1 se muestra un diagrama del sistema.

[pic 26](6)

Donde,   λM     es   la   conductividad   térmica   de   la muestra, λR1 y λR2 son la conductividad térmica de  los materiales de referencia 1 y 2., Ti es la temperatura en cada una de las posiciones Zi donde están colocados los termopares. Los subíndices 1 y 2 se refieren a la primera barra de referencia, 3 y 4  a la muestra bajo medición y el 5 y 6 a la segunda barra de referencia.

Si las distancias entre los termopares de cada barra son iguales y el material de referencia es el mismo para las dos barras entonces, la Ecuación (6) se reduce a:

[pic 27](7)

[pic 28]

Procedimiento:

Para el procedimiento  del cálculo de calor especifico se debe tener en cuenta los siguientes implementos: calorímetro (Aparato para medir cualquier constante térmica, especialmente el calor específico, ver figura 1);; Calentador de agua (figura 2); Agua fría (temperatura ambiente); Muestras de aluminio, cobre, y plomo(figura 3); Balanza(figura 4); Termómetro(figura 5);

[pic 29]

Figura 1, calorímetro

[pic 30]

Figura 2. Calentador de agua.

[pic 31]

Figura 3. Muestras de aluminio, cobre y plomo

[pic 32]

Figura 4, Balanza digital

[pic 33]

Figura 5, Termómetro digital.

Cabe aclarar que se debe poseer de una buena cantidad de agua, ya que es necesario que al momento de sumergir las muestras, estas queden totalmente cubiertas. Mientras que el agua llega a su punto de ebullición; se toman las medidas de las masas del  calorímetro M_cal y las muestras metálicas, y se ingresan en la tabla 1. En el momento en que el agua llega a su punto de ebullición se mide su temperatura T_ (ebu.)

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