Informe de Dilatacion Termica de Solidos y Liquidos

“Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria”

INFORME DE LABORATORIO N°7

INTEGRANTES:

 Portilla Barboza Manuel Enrique  Leon Ticona Jesus Alberto  Santillan Ramos Jhampol  TURNO:

12170128 11170127 12170137

Miércoles 12 - 2 pm

EXPERIENCIA N°7: DILATACION TERMICA DE SOLIDOS Y LIQUIDOS

EXPERIENCIA N°7: DILATACION TERMICA DE SOLIDOS Y LIQUIDOS

TABLA DE CONTENIDO 1. OBJETIVOS ................................................................................................. 3. FUNDAMENTO TEORICO ....................................................................... 4. PROCEDIMIENTO..................................................................................... MONTAJE 1 – DILATACION DE SOLIDOS ................................................................................................. MONTAJE 2 – DILATACION DEL AGUA ....................................................................................................

5. EVALUACION ............................................................................................. 6. APLICACIONES………………………………………………………………………… 7. CONCLUSIONES: ....................................................................................... 8. RECOMENDACIONES .............................................................................. 9. BIBLIOGRAFIA: ..........................................................................................

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1. OBJETIVOS I.

Determinar los coeficientes de expansión lineal de diferentes varillas metálicas usando un dilatómetro..

II. III.

Observar el comportamiento de los fluidos al cambio de temperatura Calcular el coeficiente de dilatación térmica del agua .

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2. MATERIALES Y EQUIPOS 1 Termostato de inmersion

1 Dilatometro con reloj calibrador

1 Termometro

1 Cubeta de acrilico

4 Abrazaderas

2 Mangueras flexibles

DESCRIPCIÓN Equipo diseñado para atemperar líquidos, bien en cubetas de diferentes tipos con una profundidad mínima de 150mm ó para termostatar, en circuito cerrado. Posee un sistema de fijación para diferentes tipos de cubetas. Control de temperatura mediante termostato digital. Posibilidad de acoplar a la bomba una salida para circulación externa.

Éste 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, a diferentes temperaturas. Generalmente se utiliza para medir las temperaturas del material seleccionado.Termómetros los hay de muchos tipos, pero quizás lo más habituales sean o hayan sido los que contienen un líquido en su interior que se dilata o contrae con los cambios de temperatura. Este líquido puede ser mercurio, alcohol coloreado, etc.

Sirve de recipiente de líquidos en el experimento sirvió para atemperar el agua con ayuda del termostato de inmersión es capaz de soportar altas temperaturas-

Es un frasco con un cierre sellado de vidrio que dispone de un tapón provisto de un finísimo capilar, de tal manera que puede obtenerse un volumen con gran precisión. Esto permite medir la densidad de un fluido, en referencia a la de un fluido de densidad conocida como el agua o el mercurio.

Es un instrumento de medición que sirve para determinar la densidad relativa de los líquidos sin necesidad de calcular antes su masa y volumen. Normalmente, está son Son aquellos que sirven para ajustar con más firmeza las abrazadas y hacer tener un buen

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2 Tornillos de ajuste Agua potable

2 Abrazaderas

montaje para un determinado experimento Se denomina agua potable o agua para consumo humano, al agua que puede ser consumida sin restricción debido a que, gracias a un proceso de purificación, no representa un riesgo para la salud. Tiene una densidad aproximada de 0.99 g/ml Una abrazadera para tubo es una pieza de metal u otro material que sirve para asegurar tuberías o conductos de cualquier tipo, ya sean en disposición vertical, horizontal o suspendidas, en una pared, guía, techo o cualquier otra base.

1 Balanza de tres barras Instrumento utilizado para medir la masa con exactitud y precisión , posee un error de lectura mínima de (1/20 g)

Varillas de cobre aluminio,bronce

Materiales que sufrirán dilataciones en sus dimensiones a medida que va aumentando la temperatura

1 Vasoprecipitado de 1L Un vaso de precipitados o vaso de precipitado es un recipiente cilíndrico de vidrio fino que se utiliza muy comúnmente en el laboratorio, sobre todo, para preparar o calentar sustancias y traspasar líquidos.

1 Soporte universal

El soporte universal es una herramienta que se utiliza en laboratorios para realizar montajes con los materiales presentes en el laboratorio y obtener sistemas de mediciones o de diversas funciones.

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1 Nuez Una pieza metálica de equipamiento de laboratorio que sirve para sujetar las pinzas de laboratorio al soporte universal

1Tripode

Es un equipo de tres patas, generalmente se utiliza como apoyo de los equipos de laboratorio de algún tipo. También se utiza como apoyo en el calentamiento de las sustancias con el mechero de Bussen.En este caso para calentamiento se utiliza una rejilla resistente al calor.

1Rejilla

La rejilla o malla metálica es la encargada de distribuir la temperatura de manera uniforme, evitando que el instrumental de vidrio entre en contacto directo con la llama de mechero y evitando que se quiebren los recipientes de vidrio por los cambios bruscos de temperatura

1 Picnómetro

1 Tubo de vidrio escalado(300mm)

1 Pizeta

Es un frasco con un cierre sellado de vidrio que dispone de un tapón provisto de un finísimo capilar, de tal manera que puede obtenerse un volumen con gran precisión. Esto permite medir la densidad de un fluido, en referencia a la de un fluido de densidad conocida como el agua o el mercurio.

Se utiliza mayormente como recipiente de líquidos y sólidos, con los cuales se realiza mezclas o se les somete a variaciones de temperatura u otras prueba

La Pizeta es un recipiente cilindrico sellado con tapa rosca, el cual posee una manguera pequeña con una abertura, capaz de entregar agua o cualquier líquido que se encuentre contenido en la pizeta. en pequeñas cantidades (en forma de chorro)

1 Jeringa Instrumento que sirve para aspirar o impeler ciertos líquidos o materias blandas, mediante el vacío que crea un émbolo introducido a presión en un tubo

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3. FUNDAMENTO TEORICO Los cambios de temperatura afectan el tamaño de los cuerpos, pues la mayoría de ellos se dilatan al calentarse y se contraen si se enfrían. Los gases se dilatan mucho más que los líquidos, y éstos más que los sólidos. En los gases y líquidos las partículas chocan unas contra otras en forma continua, pero si se calientan, chocarán violentamente rebotando a mayores distancias y provocarán la dilatación. En los sólidos las partículas vibran alrededor de posiciones fijas; sin embargo al calentarse aumentan su movimiento y se alejan de sus centros de vibración dando como resultado la dilatación. Por el contrario, al bajar la temperatura las partículas vibran menos y el sólido se contrae. DILATACIÓN DE SÓLIDOS Una barra de cualquier metal al ser calentada sufre un aumento en sus tres dimensiones: largo, ancho y alto, por lo que su dilatación es cúbica. Sin embargo en los cuerpos sólidos, como alambres, varillas o barras, lo más importante es el aumento de longitud que experimentan al elevarse la temperatura, es decir, su dilatación lineal. Para un sólido en forma de barra, el coeficiente de dilatación lineal (cambio porcentual de longitud para un determinado aumento de la temperatura) puede encontrarse en las correspondientes tablas. Por ejemplo, el coeficiente de dilatación lineal del acero es de 12 × 10-6 K-1. Esto significa que una barra de acero se dilata en 12 millonésimas partes por cada kelvin (1 kelvin, o 1 K, es igual a 1 grado Celsius, o 1 ºC). Si se calienta un grado una barra de acero de 1 m, se dilatará 0,012 mm. Esto puede parecer muy poco, pero el efecto es proporcional, con lo que una viga de acero de 10 m calentada 20 grados se dilata 2,4 mm, una cantidad que debe tenerse en cuenta en ingeniería. También se puede hablar de coeficiente de dilatación superficial de un sólido, cuando dos de sus dimensiones son mucho mayores que la tercera, y de coeficiente de dilatación cúbica, cuando no hay una dimensión que predomine sobre las demás.

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DILATACIÓN DE LÍQUIDOS Para los líquidos, el coeficiente de dilatación cúbica (cambio porcentual de volumen para un determinado aumento de la temperatura) también puede encontrarse en tablas y se pueden hacer cálculos similares. Los termómetros comunes utilizan la dilatación de un líquido —por ejemplo, mercurio o alcohol— en un tubo muy fino (capilar) calibrado para medir el cambio de temperatura. DILATACIÓN LINEAL Es el incremento de longitud que presenta una varilla de determinada sustancia, con un largo inicial de un metro, cuando su temperatura se eleva un grado Celsius. Por ejemplo: una varilla de aluminio de un metro de longitud aumenta 0.00000224 metros 22.4 x 10-6 m) al elevar su temperatura un grado centígrado. A este incremento se le llama coeficiente de dilatación lineal y se representa con la letra griega alfa (α). Para pequeñas variaciones de temperatura, se producirán pequeñas variaciones de longitudes y volúmenes. Para cuantificar este efecto se definen: Coeficiente promedio de expansión lineal:

Donde es la longitud inicial. Algunos coeficientes de dilatación lineal de diferentes sustancias se dan en el cuadro siguiente:

Dilatación volumétrica y coeficiente de dilatación volumétrica Dilatación cúbica.- Implica el aumento en las dimensiones de un cuerpo: ancho, largo y alto, lo que significa un incremento de volumen, por lo cual también se conoce como dilatación volumétrica. Coeficiente de dilatación cúbica.- Es el incremento de volumen que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de volumen igual a la unidad, Al elevar su temperatura un grado Celsius. Este coeficiente se representa con la letra griega beta (β). Por lo general, el coeficiente de dilatación cúbica se emplea para los líquidos. Sin embargo, si se conoce el coeficiente de dilatación lineal de un sólido, su coeficiente de dilatación cúbica será tres veces mayor: β = 3 α. Dada una presión constante B se calcula así:

= (1/V0)(V/T)P

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4. EVALUACIÓN 7. Grafique en papel milimetrado la variación del agua (ΔL) vs. variación de la Temperatura (ΔT). Se adjunta en el informe. 8. Grafique en papel milimetrado la variación del agua (ΔV) vs. variación de la Temperatura (ΔT). Se adjunta en el informe. 9. Aplicando el método de mínimos cuadrados, halle la tendencia de la gráfica. Determine los coeficientes de dilatación lineal y volumétrica del agua (Pegue aquí su gráfica, incluyendo los mínimos cuadrados).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

3 8 15 18 23 28 33 38 43 48

0.1134 0.3742 0.4990 0.6464 0.7598 0.9753 1.2702 1.3836 1.5197 1.6671

Σ ∑

∑ ∑

∑

0.4771 0.9031 1.1761 1.2553 1.3617 1.4472 1.5185 1.5798 1.6335 1.6812

-0.9454 -0.4268 -0.3019 -0.1895 -0.1193 -0.0109 0.1039 0.1410 0.1817 0.2220

-0.4510 -0.3855 -0.3551 -0.2379 -0.1624 -0.0157 0.1577 0.2228 0.2969 0.3732

0.2276 0.8156 1.3832 1.5757 1.8543 2.0943 2.3059 2.4957 2.6682 2.8266

13.0335

-1.3451

-0.5571

18.2471

∑ ∑

∑

∑ ∑

∑ ∑

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ΔV vs ΔT 1.8000 1.6000 1.4000

ΔV

1.2000 1.0000 0.8000 0.6000 0.4000 0.2000 0.0000 0

10

20

30

40

50

60

ΔT

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

10 33 44 57 67 86 112 122 134 147

3 8 15 18 23 28 33 38 43 48

0.1134 0.3742 0.4990 0.6464 0.7598 0.9753 1.2702 1.3836 1.5197 1.6671

0.9619 1.1904 0.8465 0.9138 0.8406 0.8863 0.9794 0.9265 0.8993 0.8837

0.3333 0.4125 0.2933 0.3167 0.2913 0.3071 0.3394 0.3211 0.3116 0.3063

10. Calcule el coeficiente de dilatación volumétrica del agua a la temperatura inicial T0 con los valores correspondientes a 30°C: (

)( )

(

)(

)

11. Calcule el coeficiente de dilatación volumétrica del agua a 50°C. Utilice los valores medidos con 50°C y 60°C. (Atención: ¿Cuál es ahora V0?): (

)( )

( )( )

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12. Justificar si es posible usar el tubo de vidrio con escala en mm, como una medida directa del volumen dilatado en mL. Si el volumen para cada 10 mm es dilatado en

se podría establecer como una medida directa del volumen

A partir de que el radio del tubo de vidrio tiene el valor de 3.8 mm, se tiene que el volumen para cada 10 milímetros es:

Por lo tanto, el volumen para cada

será de

Para que el volumen por cada 10 mm sea 1 mL el radio del tubo de vidrio tendría que ser: . 13. Identifique y explique a qué se deben los errores cometidos en este experimento. Se debieron al no tener en cuenta las siguientes recomendaciones:  Utilice tubos de vidrios lo suficientemente largos para que pueda realizar el experimento completo y no tenga que, posteriormente, tabular algunos datos.  Verifique que las mangueras no tengan perforaciones que no deberían ya que estas afectarán el experimento.  Utilice la llama azul en el mechero a fin de evitar la formación de hollín en el vaso precipitado. Y además:  Mala medida del  Presencia de burbujas en el tubo de vidrio.

5. APLICACIONES La dilatación térmica puede aprovecharse. El aluminio, por ejemplo, se dilata dos veces más que el hierro. Si soldamos en una barra dos tiras paralelas de estos metales y la calentamos, la mayor dilatación del aluminio hará que la barra se doble hacia un lado; y si la enfriamos ocurrirá exactamente al contrario. Habremos fabricado así un termómetro que puede señalarnos las temperaturas y, en ciertos casos, un termostato, como muestra la ilustración. La dilatación tiene aplicaciones industriales. El cilindro debe ajustar perfectamente en su camisa. Para colocarlo se lo enfría en oxígeno líquido; se lo coloca mientras está contraído, y al dilatarse y recuperar la temperatura ambiente queda firmemente sujeto en su lugar.

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Existen así muchos disyuntores, que cortan la corriente eléctrica, o aparatos que desencadenan algún otro proceso, cuando la temperatura llega a un punto crítico. MEDIDA DE LA DILATACIÓN En la figura se ilustra el aparato que se utiliza para determinar la dilatación lineal. En esencia consiste en calentar una barra de longitud conocida hasta una temperatura determinada y medir cuánto se ha dilatado. La dilatación superficial será el doble de la lineal y la dilatación en volumen el triple de ésta. La razón es muy sencilla: si el cuerpo tiene longitud uno, y llamamos a la dilatación “d", la longitud dilatada será l + d; la superficie una vez dilatada será 1 + 2d + d², pero d² es tan pequeño que no se tiene en cuenta; y lo mismo ocurrirá para el volumen, cuya fórmula es l+3d+3d²+d3, puesto que los dos últimos términos son tan pequeños que tampoco se los tiene. en cuenta. Conviene recordar esta eliminación de cantidades inapreciables para muchas otras aplicaciones, como el cálculo de errores.

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• En las carreteras de hormigón o en los embaldosados de gran tamaño se ven, a intervalos regulares líneas de material asfáltíco destinadas a absorber las dilataciones producidas por el calor; de otro modo la construcción saltaría en pedazos en los días de mucho sol. • El vidrio común es un mal conductor del calor y se dilata apreciablemente; si echamos agua hirviendo en un vaso grueso, la parte interior se calienta y expande, mientras la parte exterior queda fría y encogida, de modo que el recipiente se rompe. Si previamente, colocamos una cucharilla capaz de absorber el calor, neutralizaremos en parte la brusquedad del ataque y, posiblemente, salvaremos el vaso. • El vidrio pirex se usa para cambios bruscos de tempetatura, simplemente porque su coeficiente (le dilatación es muy bajo y se libra así del peligro de ruptura. • Los líquidos se dilatan mas que los sólidos: el mercurio sube en el termómetro porque se dilata más que el recipiente de vidrio que lo contiene. • Los gases, cuyas moléculas son más libres, tienden a dilatarse más que los líquidos. • Cuando se necesita unir vidrio con metal, como en los tubos de vacío, se usa el kovar que, además de hierro, contiene 29 % de níquel y 17 % de cobalto y su dilatación es idéntica a la del vidrio. • La aleación invar, que además del hierro contiene 36 % de níquel y 0,15 % de carbono, es prácticamente insensible a los cambios de temperatura; se la emplea en trabajos de geodesia, en ‘péndulos de compensación, en relojes de gran precisión, en patrones de longitud y en muchos instrumentos de medida. • Hay una serie llamada ni-span que contiene níquel y titanio. Una de ellas se dilata muy poco, como el invar; otra variedad se dilata muchísimo; y la tercera mantiene su módulo de elasticidad (es sabido que el calor afecta mucho la resistencia de los metales) y se la usa, por lo tanto, en resortes para

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instrumentos de precisión. • Los proyectiles teledirigidos, que emplean materiales de cerámicas, usan también la aleación kovar. • La corriente eléctrica calienta los cables o los conductores porque los electrones chocan contra las moléculas, las agitan y la temperatura no es más que el grado de actividad de dichas moléculas. • Para transportar grandes cantidades de electricidad desde las centrales se usa alto voltaje con el fin de bajar la intensidad, porque es la cantidad de electrones la que provoca el mayor calor y no el voltaje que se aplica. O La fricción calienta porque tiende a desplazar las partículas que rozan y éstas reaccionan vibrando. ‘@ Los campos magnéticos oscilantes que cambian miles o millones de veces por segundo de orientación, provocan cambios en la dirección de las órbitas de los átomos y concluyen provocando una agitación interna que se manifiesta por una mayor temperatura. El período de oscilación de un péndulo varía con su longitud; entonces se procura que ésta sea invariable utilizando materiales cuyas respectivas dilataciones se contrapesan. En la ilustración el equilibrio se obtiene así: el cinc, que proporcionalmente se expande más, es más corto que la borro de modero, menos variable. En definitivo, los dos dilataciones opuestos se anulan y la oscilación del péndulo es uniforme, o pesar de los cambios de temperatura o que puedo estor expuesto.

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6. CONCLUSIONES  La dilatación de los gases está en proporción directa a la temperatura, a esta dilatación se le conoce como térmica.  La energía que está almacenada en los enlaces intermoleculares entre dos átomos cambia debido a una transferencia de calor.  De las experiencias anteriores, podemos concluir que para presiones bajas, constantes, la variación del coeficiente de dilatación volumétrica (para la mayoría de gases), es casi siempre la misma. Esta afirmación dependerá obviamente de las condiciones iniciales, y las del medio en donde se realice el experimento.  El volumen dilatado o el volumen incrementado es directamente proporcional al volumen inicial y a la variación de la temperatura.  Utilizar el termómetro digital para que la temperatura del agua sea más uniforme y obtengamos un dato más certero.  No perder la atención hacia la dilatación del aire para poder obtener la medida en el momento preciso que el agua alcance la temperatura deseada.

7. RECOMENDACIONES

 Antes de colocar el vaso de precipitados o el matraz al fuego. Cuide que la superficie exterior esté seca.  Cuando el vaso de precipitados esté caliente, cójalo con una protección por el borde superior.  Utilice tubos de vidrios lo suficientemente largos para que pueda realizar el experimento completo y no tenga que, posteriormente, tabular algunos datos.  Verifique que las mangueras no tengan perforaciones que no deberían ya que estas afectarán el experimento. Utilice la llama azul en el mechero a fin de evitar la formación de hollín en el vaso precipitado.  Utilice la llama azul en el mechero a fin de evitar la formación de hollín en el vaso precipitado

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8. BIBLIOGRAFIA  HEWITT, P.G. (2004) Física conceptual. Pearson Educación. México.  TOMASI, W. (2003) Sistemas de Comunicaciones Eléctricas. Pearson Educación. México.  DOUGLAS, G. (2002) Física: Principios con Aplicaciones.  Serway. Física. Editorial McGraw-Hill (1992). Pág. 474  Física universitaria, Sears zemansky. Pág. 488  Mosca Gene, Tipler Paul Allen. Física para la ciencia y la tecnología volumen 1. Editor Reverte 2006, Edición 5. (pág. 432)  Mosca Gene, Tipler Paul Allen. Física para la ciencia y la tecnología volumen 2. Editor Reverte 2005, Edición 5. (pág. 1049)

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