LABORATORIO DE FÍSICA II 10ª Edición DAFI – FCF – UNMSM

EXP. N° 07 – DILATACIÓN TÉRMICA DE SOLIDOS Y LIQUIDOS 36

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EXPERIENCIA N° 07

En un sólido las moléculas tienen una posición razonablemente fija dentro de él. Cada átomo

de la red cristalina vibra sometido a una fuerza asociada a un pozo de potencial, la amplitud

del movimiento dentro de dicho pozo dependerá de la energía total de átomo o molécula. Al

absorber calor, la energía cinética promedio de las moléculas aumenta y con ella la amplitud

media del movimiento vibracional. El efecto combinado de este incremento es lo que da el

aumento de volumen del cuerpo. En los gases el fenómeno es diferente, ya que la absorción

de calor aumenta la energía cinética media de las moléculas lo cual hace que la presión sobre

las paredes del recipiente aumente. El volumen final por tanto dependerá en mucha mayor

medida del comportamiento de las paredes.

I. OBJETIVO

• Observar el comportamiento de los sólidos y líquidos al cambio de temperatura.

• Determinar el coeficiente de expansión lineal de diferentes varillas metálicas.

• Determinar el coeficiente de dilatación térmica del agua.

II. MATERIALES / EQUIPOS

1 Termostato de inmersión

1 Dilatómetro con reloj calibrador

1 Termómetro (-10 a +100°C)

1 Cubeta de acrílico

2 Tornillos de ajuste

4 Abrazaderas

2 Mangueras flexibles

1 Balanza de tres barras

Varillas de cobre, aluminio, bronce.

1 Vaso de precipitado de 1L

1 Soporte universal

1 Nuez

1 Trípode

1 Rejilla

1 Picnómetro de 100 mL

1 Tubo de vidrio escalado (300 mm)

1 Pizeta

1 Jeringa

III. FUNDAMENTO TEÓRICO

Todos los cuerpos se dilatan en mayor o menor medida cuando experimentan un cambio de su temperatura (cambian sus dimensiones geométricas).

La expansión lineal de diferentes materiales, se determina como una función de la temperatura. Un incremento en la temperatura causa que la amplitud vibracional de los átomos en la red cristalina de los sólidos incremente. El espaciamiento entre átomos incrementa, así como el volumen total V, para una presión constante.

β = (1/V0)(∆V/∆T)P (1)

Donde β es el coeficiente de expansión volumétrica.

Si consideramos solamente una dimensión. Obtenemos el coeficiente de expansión

lineal, α comúnmente usado para medir la dilatación lineal de los sólidos.

α = (1/L0)(∆L/∆T)P (2)

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PROCEDIMIENTO

MONTAJE 1 – DILATACIÓN DE SÓLIDOS

Monte el equipo, como se muestra en la figura 1.

1. Verifique que las conexiones de las

mangueras flexibles al termostato sean las correctas, para un adecuado flujo de entrada y salida de agua.

2. Llene la cubeta de acrílico con 4 L de agua potable. 3. Verifique que el dilatómetro este calibrado a cero. 4. Mida la temperatura inicial de trabajo, T0 y regístrela en la Tabla 01. 5. Conecte el termostato a la fuente de alimentación de 220 V. 6. Registre en la Tabla 01, las lecturas obtenidas en el dilatómetro a intervalos de

5°C. 7. Apague el termostato y repita los pasos (2) al (6) para las dos varillas restantes.

Tabla 01

T (°C) Tamb= 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Cobre

Aluminio

Bronce

8. Complete la Tabla 02.

Tabla 2

Cobre Aluminio Bronce

∆L(mm) ∆T(°C) ∆L(mm) ∆T(°C) ∆L(mm) ∆T(°C)

Figura

Nota: Tenga mucho cuidado al insertar y retirar el dilatómetro. No enrosque demasiado los tornillos de ajuste.

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MONTAJE 2 – DILATACIÓN DEL AGUA

1. Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental de la Figura 02.

2. Determinar la masa del picnómetro y su escala, con ayuda de la balanza, pesándolo cuando está vacío. …….…….. g

3. Llene el picnómetro hasta el borde con agua y calibre la escala del tubo de vidrio a cero con ayuda de la jeringa.

4. Con la ayuda de la balanza determine la nueva masa. …………… g

5. Determine el volumen inicial de agua V0 y anótelo en la Tabla 03. V0 = …………….. mL

6. Sujete el picnómetro con ayuda del clamp y colóquelo en el vaso de precipitados, de manera que quede sumergido el mayor volumen posible. No derramar agua.

7. Llene con agua el vaso de precipitados de 1L hasta enrasar el picnómetro, y registre la temperatura inicial, T0 = °C.

8. Caliente el agua con una llama baja. Anote en la Tabla 03 las lecturas del tubo de

vidrio escalado (∆L en mm) y el cambio de volumen en el tubo de vidrio. El radio interno del tubo de vidrio escalado es d = 3,8 mm.

9. Registre el cambio de temperatura ∆T con respecto a T0.

Tabla 03

V0 (mL) = T0 (0C) = d(mm) =

T (0C) ∆∆∆∆T (0C) ∆∆∆∆L (mm) ∆∆∆∆V (mL)

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Figura 02

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IV. EVALUACIÓN

1. Realice los gráficos de los diferentes materiales de la Tabla 1: ∆L versus ∆T. (Pegue aquí sus gráficas)

2. ¿Las gráficas son rectas?

………………………...........….…………………………………………………………………………...........….………………………………………………………………………………………………………………………………………………

3. Analice las gráficas, y aplicando el método de mínimos cuadrados, determine los

coeficientes de dilatación lineal. (Pegue aquí su gráfica, incluyendo los mínimos cuadrados)

………………………...........….…………………………………………………………………………...........….……………………………………………………………………………………………………………………………………………..

4. Determine el valor del coeficiente de dilatación para cada una de las varillas, usando la ecuación (2) y anótelos en la siguiente tabla.

5. Compare los valores de α para cada varilla, obtenidos en los puntos (3) y (4) de la evaluación, ¿Qué puede decir al respecto? ………………………...........….…………………………………………………………………………...........….……………………………………………………………………………………………………………………………………………..

6. Hallar el error experimental porcentual (E%) del α para cada varilla. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........….…………………………………………………………………………………………………………………………………….……….

7. De la Tabla 03, grafique en papel milimetrado la variación del agua (∆∆∆∆L) Vs. variación de

la Temperatura (∆∆∆∆T). (Pegue aquí sus gráficas)

8. De la Tabla 03, grafique en papel milimetrado la variación del agua (∆∆∆∆V) Vs. variación de la Temperatura (∆∆∆∆T). (Pegue aquí sus gráficas)

9. Aplicando el método de mínimos cuadrados, halle la tendencia de las gráficas.

Determine los coeficientes de dilatación lineal y volumétrica del agua (Pegue aquí su

gráfica, incluyendo los mínimos cuadrados)

Material αααα (1/°C)

Cobre

Aluminio

Bronce

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

β = .……………………… °C-1

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?):

β = .……………………… °C-1 12. Justificar si es posible usar el tubo de vidrio con escala en mm, como una medida

directa del volumen dilatado en mL. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........….…………………………………………………………………………………………………………………………………….………. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........….…………………………………………………………………………………………………………………………………….……….

13. Identifique y explique a qué se deben los errores cometidos en este experimento.

………………………...........….…………………………………………………………………………...........….…………………………………………………………………………………………………………………………………….………. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........….…………………………………………………………………………………………………………………………………….……….

V. CONCLUSIONES

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VII. RECOMENDACIONES

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FECHA:

ALUMNO: MATRÍCULA: V.B