Coeficiente de dilatación lineal

UNIVERSIDAD DON BOSCO
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICA
LABORATORIO DE FISICA
ASIGNATURA: FISICA TECNICA
LABORATORIO 9: COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL
I. OBJETIVO GENERAL
Determinar la relación entre los cambios de longitud y los cambios de temperatura que
experimentan los materiales metálicos y calcular el coeficiente de dilatación lineal.
II. INTRODUCCION TEORICA
Las propiedades de numerosos cuerpos cambian cuando alteramos su temperatura, como al
sacarlos de un refrigerador y ponerlos en un horno caliente. Por ejemplo cuando aumenta la
temperatura de esos cuerpos, aumenta el volumen de un líquido, una varilla metálica crece un
poco más y aumenta la resistencia eléctrica de un alambre, al igual que aumenta la presión
ejercida por un gas confinado.
A veces es posible aflojar la tapa metálica de un frasco manteniéndola bajo un chorro de agua
caliente. Tanto el metal de la tapa como el vidrio del frasco se dilatan porque el agua caliente
agrega energía a sus átomos (como más energía los átomos se pueden alejar un poco más entre
sí que de costumbre contra las fuerzas interatómicas que mantienen unidos a los átomos de los
sólidos). Sin embargo, como los átomos del metal se mueven a mayor distancia que los del vidrio,
la tapa se dilata más que el frasco por ello mismo se afloja)
Esta dilatación térmica no es siempre deseable. Por lo tanto para evitar el pandeo se ponen
ranuras de dilatación en puentes para que dicha dilatación ocurra sin riesgos en días calurosos.
Los materiales dentales que se emplean en prótesis deben estar equilibrados en sus propiedades
de dilatación térmica con los del esmalte de los dientes (de otra manera tomar un café caliente
podría ser bastante doloroso). Sin embargo en la fabricación de aviones, es frecuente que
remaches y otros sujetarlos se enfríen en hielo seco antes de insertarlos y luego de dejar
expandir para obtener un ajuste apretado.
En la dilatación térmica se presentan tres tipos: lineal, superficial y volumétrica
DILATACIÓN LINEAL
Si la temperatura de una varilla de metal de longitud L se eleva en una cantidad T (Fig. N° 1), se
encuentra que su longitud aumenta una cantidad.
Lo
∆L
To
Tf
Lf
Fig. N° 1
L  L0T
donde es una constante llamada coeficiente de dilatación lineal. Las unidades de  son 1/0C y
se calcula así:

L
L0 T
El coeficiente de dilatación lineal puede definirse como el cambio en longitud por unidad de
longitud por grado de cambio en la temperatura.
El valor de depende del tipo de material (Tabla N° 1)
Tabla No. 1: Coeficientes de dilatación lineal de algunos materiales
 (10-5 / 0C)
3.0
2.3
1.8
1.7
1.2
2.6
Material
Plomo
Aluminio
Latón
Cobre
Acero
Zinc
.
DILATACIÓN VOLUMÉTRICA
Si todas las dimensiones de un sólido se dilatan con la temperatura, el volumen de ese sólido
debe expandirse también. Para líquidos, la dilatación de volumen es el único parámetro
significativo.
v
Sea un cuerpo cuyo volumen inicial es 0 . Cuando se incrementa la temperatura en T el
volumen del cuerpo aumenta en V (Fig. N° 3).
L1
L3
L2
Fig. N° 3
Matemáticamente se expresa así:
V   vO T
donde,  es un coeficiente de proporcionalidad llamado Coeficiente de dilatación volumétrica
cuyas unidades son
1/ ºC ó 1/ ºF.
El coeficiente de dilatación volumétrica representa la variación relativa o fraccional del volumen
por unidad de variación de la temperatura.
V
VO
  3
III. TAREA PREVIA
1. Definir los siguientes conceptos: Energía térmica, temperatura, escalas de temperatura,
equilibrio térmico, dilatación térmica, termómetro.
2. ¿Cómo se define el coeficiente de dilatación lineal de una sustancia?
3. Investigar los valores de los coeficientes de dilatación lineal de los siguientes metales:
aluminio, latón, cobre, hierro y acero.
IV. MATERIAL Y EQUIPO
Aparato de expansión térmica con comparador de carátula (micrómetro)
Tubo de latón
Termostato de inmersión A100 con accesorios
Mangueras
Contenedor plástico para agua
Termómetro de laboratorio
V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. Colocar el tubo de latón en el aparato de expansión térmica, tal como lo muestra la Fig. N° 4.
y medir la temperatura inicial To = ___________ 0C y longitud inicial Lo = ____________mm
Fig. N° 4.
2. Encender el termostato de inmersión, asegurándose que el selector de temperatura se
encuentre a cero grados.
3. Presionar el botón de la bomba, girando para seleccionar un valor de 80oC.
4. Verificar que el comparador de carátula esté haciendo contacto con el extremo del tubo y
ajustar la aguja a cero.
5. Llevar lentamente el selector de temperatura del termostato hasta un valor de 70oC.
6. Anotar el valor del cambio de longitud (L) observando el comparador de carátula para temperaturas de: (35, 40, 45, 50, 55, 60 y 65) 0C y completar la tabla N° 2.
Tabla N° 2: Cambios de longitud respecto a los cambios de temperatura
Observación
1
T (OC)
35
2
40
3
45
4
50
5
55
6
60
7
65
T = T – T0 (OC)
L (mm)
Nota: Antes de apagar la bomba de agua llevar el selector de temperatura del termostato
de inmersión A100 a cero y apagar el aparato.
VI. HOJA DE ANALISIS DE RESULTADOS
1. Utilizando los datos de la tabla N° 2. Encontrar el valor del coeficiente de dilatación lineal del
latón y completar la tabla N° 3
Tabla N° 3: Valores del coeficiente de dilatación lineal del latón
Observación
1
T (0C)
35
2
40
3
45
4
50
5
55
6
60
7
65
T = T – T0 ( 0C)
L (mm)
 (0C-1)
2. Utilizando los datos de la tabla N° 3. Calcule el mejor valor del coeficiente de dilatación lineal
y calcule el porcentaje de error respecto al valor teórico de = 1.8 x 10-5 / 0C
3. Construya un gráfico de los cambios de longitud L contra los cambios de temperatura T
(utilice papel milimetrado)
4. ¿Cuál es la relación de proporcionalidad entre L y T?
5. Obtener la ecuación experimental del gráfico anterior
6. A partir del valor de la constante de proporcionalidad obtenida en la pregunta anterior, calcular
el valor de  para el material de la varilla.
7. ¿Cuáles fueron las causas de error ocurridas durante la práctica?
8. Escribir conclusiones y comentarios
Física técnica. Laboratorio Nº 9. Hoja de criterios de evaluación de los resultados experimentales
Departamento: Ciencias Básicas
Laboratorio: Física
Asignatura: Física Técnica
NOTA
Coeficiente de dilatación lineal
N°
Apellidos
Nombres
Carnet
Firma
GT
1
2
3
4
5
Nombre y firma del Docente de Laboratorio:
MESA:
N°
GL:
Criterios a evaluar
FECHA:
% Asignado
1 Presentación y orden del reporte
5
2 Utilizando los datos de la tabla N° 2. Encontrar
el valor del coeficiente de dilatación lineal del
latón y completar la tabla N° 3
10
3 Utilizando los datos de la tabla N° 3. Calcule el
mejor valor del coeficiente de dilatación lineal
y calcule el porcentaje de error respecto al
valor teórico de = 1.8 x 10-5 / 0C
10
4 Construya un gráfico de los cambios de
longitud L contra los cambios de temperatura
T (utilice papel milimetrado)
15
5 ¿Cuál es la relación de proporcionalidad entre
L y T?
10
6 Obtener la ecuación experimental del gráfico
anterior
10
7 A partir del valor de la constante de
proporcionalidad obtenida en la pregunta
anterior, calcular el valor de  para el material
de la varilla.
15
8 ¿Cuáles fueron las causas de error ocurridas
durante la práctica?
15
9 Escriba sus conclusiones y comentarios
10
TOTAL DE PUNTOS
100
% Obtenido
Observaciones