informe dilatacion

Datos personales Antony Chavez Sanz David Campos Juarez Diego Chalco Mansilla Paul H. Benique Apaza

Grupo 1

Docente John Alexander Flores Tapia

Fecha de realización 12 y 13 de abril de 2014 Nota:

Fecha de entrega 26 de abril de 2014

Programa Integral: Automatización y Control

Electrónico 2014-I

Curso: Fundamentos Físicos Y Matemáticos de

la Electrotecnia

Informe de laboratorio Nº 2

Tema:

Dilatación térmica de sólidos.

Laboratorio de Fundamentos Físicos y

matemáticos de la Electrotecnia Página: 2

Tema: Dilatación térmica de sólidos.

I. INTRODUCCIÓN En esta práctica estaremos calculando el coeficiente de dilatación lineal en un sólido en este caso una varilla metálica, en este experimento trabajaremos con tres diferentes tipos de materiales. Aplicaremos calor a las tres varillas metálicas y observaremos su dilatación lineal (una dimensión). Analizaremos la grafica de la curva obtenida de temperatura vs el alargue de la varilla Se define dilatación lineal de la barra metálica: "al número que representa el aumento que adquiere en unidad de longitud (mm, Km, cm etc...) cuando su temperatura se eleva” II. OBJETIVOS

1. Observar cualitativamente las características físicas que son requeridas para que un

cuerpo al cual se le suministra energía térmica cambie de dimensión. 2. Ser capaz de configurar e implemetar equipos para toma de datos experimentales y

realizar un análisis gráfico utilizando como herramienta el software Data Studio.

III. MATERIALES

- Computadora personal con programa Data Studio instalado. - USB link. - Sensor de temperatura. - Sensor rotacional. - Vaso de precipitados de . - Matraz Quitazato de . - Pinza universal, nuez doble (1), base (2), varillas (3). - Varillas de Acero, Cobre y Vidrio. - Mechero. - Manguera y tapón. - Protector de sonda de temperatura.




INDICACIONES DE SEGURIDAD

Implementos de seguridad de uso obligatorio para la realización del laboratorio

Análisis de trabajo seguro

Análisis del uso del laboratorio

Nº Pasos básicos del trabajo Riesgo presente en cada

caso Control de riesgo

1 Verificación de los

materiales Materiales equipos

entregados en mal estado Solicitar y reclamar equipos

en buen estado

2 Instalación de los materiales

en uso Daños a los equipos por mal

uso Solicitar orientación para la instalación de los equipos

3 Uso del sensor de fuerza o

dinamómetro Daños a sensor por hacerlo trabajar fuera de sus limites

Antes de usos el sensor debe ser calibrado (no

exceder de 50N)

4 Uso de las pesas Dañar el sensor por peso

excesivo o por uso continuo de la pesa sobre el sensor

Colocar las pesas con cuidado previo cálculo del

peso y una vez pesado sacarlo del sensor

5 Devolución de materiales Daño de equipos por

desmontaje incorrecto

Desmontar cuidadosamente el

esquema armado y ordenar los materiales usados para

devolverlos

6 Limpieza de laboratorio Dejar en desorden la mesa de trabajo con fuentes de alimentación prendidas

Dejar la mesa de trabajo como se la encontró, mesa limpia y sillas ordenadas y

con las fuentes de alimentación apagadas




IV. FUNDAMENTO TEÓRICO La mayor parte de los cuerpos se dilatan cuando se incrementa su temperatura, Este fenómeno juega un papel importante en un gran número de aplicaciones en ingeniería, Por ejemplo, se deben incluir uniones (junturas) de dilatación térmica en los edificios, carretes de concreto, vías de trenes y puentes con el fin de compensar las variaciones en sus dimensiones a los cambios de temperatura. La dilatación térmica global de un cuerpo es consecuencia deñ cambio en la separación media entre sus átomos o moléculas. Supongamos que la dimensión lineal de un cuerpo a lo largo de alguna dirección es L para cierta temperatura. La longitud se incrementa en una cantidad para un cambio de temperatura . De manera experimental se encuentra que el cambio en la longitud es proporcional al cambio en la temperatura y a la longitud inicial siempre que sea suficientemente pequeño. Por lo tanto la ecuación básica para la dilatación de un sólido es:

Donde la constante de proporcionalidad, se conoce como el coeficiente promedio de dilatación lineal para un material dado. A partir de esta expresión se ve que:

En otras palabras, el coeficiente promedio de dilatación de un sólido es el cambio fraccionario en la longitud ( ) por cambio de un grado de temperatura. La unidad de es el . Por ejemplo un cambio de significa que la longitud del objeto cambia en 11 partes por millón de su longitud original por cada grado Celsius de cambio de temperatura. V. PROCEDIMIENTOS Experiencia de la dilatación. Ingrese al programa Data Studio, haga clic sobre el icono crear experimento y seguidamente reconocerá el sensor rotacional y de temperatura insertado a la interfase USB LINK. Seguidamente procedemos a configurar dicho sensor, para lo cual hacemos doble clic sobre el icono configuración y configuramos el sensor rotacional en 20hz en posición lineal y el sensor de temperatura para que registre un periodo de muestreo de 10hz en . Luego presione el icono del sensor de temperatura luego seleccione numérico y cambie a 3 cifras después de la como decimal, según datos proporcionados por el fabricante el sensor mide en el rango de a con un paso de . haga lo propio con el sensor rotacional.




Una vez calibrado el sensor arrastramos el icono gráfico sobre el icono sensor de temperatura y seleccionamos la gráfica temperatura vs tiempo, luego haga lo mismo con el sensor rotacional y coloque el grafico debajo del primero, seguidamente hacemos el montaje de la figura 5.1. Introduce 200ml de agua en le matraz Quitazato, tal como se ilustra en la figura 5.1. Innicie la toma de datos encendiendo el mechero y oprimiendo el botón inicio en la barra de configuración principal de Data Studio. Nota: Asegúrese que no exista fugas en las conexiones, de eso depende los resultados de su experimento.

Figura 5.1 Mide con una regla, la longitud total del tubo a temperatura ambiente, desde el extremo fijado por la nuez doble hasta el tope cilíndrico del sensor, tal y como aparece en la figura 5.2. Coloca con precaución el sensor de temperatura en el centro del tubo protegiéndolo térmicamente con su funda aislante.

Figura 5.2




Repita el proceso hasta completar 4 mediciones, con las tres varillas distintas. Nota: Al cambiar la varilla espere a que se enfríe Los valores teóricos de los coeficientes de dilatación lineal son :

Un ejemplo de las curvas obtenidas las podemos apreciar en la figura 5.3

Figura 5.3. Curvas obtenidas en el experimento Una vez que obtenga las gráficas mostradas, arrastre el icono del ensayo sobre el icono tabla para los valores de temperatura y posición lineal y con la ayuda de la ecuación 2 obtenga el valor de la densidad lineal del material correspondiente.




Armando el experimento:

Armando el sensor de rotacional




Procedemos haciendo las mediciones a las varillas

Toma de datos:




5.1. ¿Qué magnitud medida evidencia el cambio de dimensiones en las varillas? Exprese

según la tabla de datos el valor para cada una.

Tempe- ratura inicial

Tempe- ratura final

Longitud a

Tempe- ratura final

Variación de

temperatura

Variación de

longitud

Longitud de la

varilla

Calculando

25,1 88,4 7,5750E-03 63,3 7,5750E-03 0,38 0,000314916

25,1 88 7,7625E-03 62,9 7,7625E-03 0,38 0,000324764

25,1 88 9,9375E-03 62,9 9,9375E-03 0,38 0,00041576

La evidencia más clara es el cambio de temperatura a más temperatura más cambio en la longitud.

5.2. Con el valor del coeficiente dilatación obtenido, calcule para cada varilla la variación de área de su sección transversal. En todos los casos

Para la varilla 1 :

*63.3

Para la varilla 2 :




Para la varilla 3:

5.3. ¿Qué ángulo en radianes equivale a la variación de la longitud de la varilla? Considera los datos del montaje y compara dicha variación con su variación lineal. Para la varilla 1




Para la varilla 2

Para la varilla 3




5.4. Según el grafico obtenido, indique para que tiempo los datos de posición y temperatura

ya no cambian. ¿Qué significa en términos de dilatación y equilibrio térmico? Para el caso de la varilla 1 aproximadamente la temperatura y la posición no cambia a partir de los 50s y 60s respectivamente. Para el caso de la varilla 2 aproximadamente la temperatura y la posición no cambia a partir de los 65s y 75s respectivamente. Para el caso de la varilla 3 aproximadamente la temperatura y la posición no cambia a partir de los 45s y 55s respectivamente. En general, cuando dos sistemas se ponen en contacto (consideremos dos sistemas en contacto térmico, dispuestos de tal forma que no puedan mezclarse o reaccionar químicamente), los valores de las variables termodinámicas que los describen cambian. Sin embargo, al cabo de un cierto tiempo dichas variables termodinámicas alcanzan unos valores que permanecen constantes en el tiempo. El estado de equilibrio alcanzado dependerá, entre otras cosas, del tipo de superficie que separe ambos sistemas. Dos sistemas se dicen que están en equilibrio termodinámico cuando están en equilibrio mecánico, químico y térmico.

5.5. Con el coeficiente de dilatación obtenido experimentalmente, pronostique la variación de la longitud para una varilla 120cm, expuesto en las mismas condiciones. Para una longitud de

Aplicando la relación a cada varilla podemos pronosticar la variación

Varilla Tempe- ratura inicial

Tempe- ratura final

Variación de la temperatura

Longitud requerida

Variación

de longitud

1 25,1 88,4 63,3 1,2 0,000206325

0,01567241

2 25,1 88 62,9 1,2 0,000212776

0,01606034

3 25,1 88 62,9 1,2 0,000272395

0,02056034




5.6. ¿Qué fenómenos físicos no tomamos en cuenta, pueden afectar significativamente el

modelo experimental? En el experimento, no tomamos en cuenta los siguiente: Acerca del sensor rotacional, podría estar defectuoso a tal caso que su eje de rotación produciría un coeficiente re rozamiento alto, entre el sensor y la varilla, pudiendo perder los datos con respeto a la longitud.

5.7. ¿Qué condiciones o restricciones respecto del montaje puede afectar la toma de datos? La toma de datos puede ser afectada: Asegurar que todo el montaje este firme y no se mueva. Que inicialmente las varillas estén con una temperatura inicial, no a la temperatura ambiente. Que las superficies en contacto, entre la varilla y el sensor, haya suciedad que dificulte el contacto. Primeramente por mal montaje, que el sensor este mal colocado sobre la varilla y por ende nos daría una mala o casi nula lectura de la variación de la longitud.

5.8. Según el análisis propuesto en las preguntas 6 y 7 ¿cómo podría mejorar la precisión del experimento? Verificar si los dispositivos estén en buen estado. Verificar que las varillas estén a temperatura ambiente, dejando las reposar por varios minutos. Limpiar las varillas para realizar el experimento para sacar las impurezas que afecten la toma de datos. Montar como se muestra en la guía de laboratorio.

5.9. Es bien conocido que un interruptor termoeléctrico consta de un elemento bimetálico. Explique su funcionamiento en relación a la experiencia realizada. Un interruptor magnetotérmico, interruptor termomagnético o llave térmica, es un dispositivo capaz de interrumpir la corriente eléctrica de un circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos. Su funcionamiento se basa en dos de los efectos producidos por la circulación de corriente eléctrica en un circuito: el magnético y el térmico (efecto Joule). El dispositivo consta, por tanto, de dos partes, un electroimán y una lámina bimetálica, conectadas en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga.




Funcionamiento Al circular la corriente por el electroimán, crea una fuerza que, mediante un dispositivo mecánico adecuado, tiende a abrir el contacto C, pero sólo podrá abrirlo si la intensidad I que circula por la carga sobrepasa el límite de intervención fijado. Este nivel de intervención suele estar comprendido entre 3 y 20 veces la intensidad nominal y su actuación es de aproximadamente unas 25 milésimas de segundo, lo cual lo hace muy seguro por su velocidad de reacción. Esta es la parte destinada a la protección frente a los cortocircuitos, donde se produce un aumento muy rápido y elevado de corriente. La otra parte está constituida por una lámina bimetálica que, al calentarse por encima de un determinado límite, sufre una deformación y provoca un cambio de posición, mediante el correspondiente dispositivo mecánico, provoca la apertura del contacto. Esta parte es la encargada de proteger de corrientes que, aunque son superiores a las permitidas por la instalación, no llegan al nivel de intervención del dispositivo magnético. Esta situación es típica de una sobrecarga, donde el consumo va aumentando conforme se van conectando aparatos. Ambos dispositivos se complementan en su acción de protección, el magnético para los cortocircuitos y el térmico para las sobrecargas. Además de esta desconexión automática, el aparato está provisto de una palanca que permite la desconexión manual de la corriente y el rearme del dispositivo automático cuando se ha producido una desconexión. No obstante, este rearme no es posible si persisten las condiciones de sobrecarga o cortocircuito.




VI. Observaciones

Debido a que el coeficiente de dilatación a es una constante para cada metal; la dilatación va a depender única y exclusivamente de y .

Si tenemos dos varillas de un mismo material una de mayor longitud que la otra le aplicamos la misma los van a ser distintos para cada una de las barras en la de mayor longitud el experimentado va a ser mayor, se demuestra lo anteriormente dicho. Para la misma barra supongamos igual para distintas como es constante la dilatación solo va a depender de . La temperatura ambiente en casi todos los puntos de la tierra sufre cambios (dia-noche, estacionales) por lo tanto los objetos existentes en esos lugares obviamente se dilataran o se contraerán. Para evitar que estos fenómenos produzcan daños, por ejemplo, en las vías de FF.CC. en las grandes estructuras metálicas o de concreto armado, se dejan juntas de dilatación que son simplemente espacios que permiten la dilatación. En los vidrios con alto coeficiente de dilatación si son sometidos a temperaturas altas , estos se quebrarían, lo que no ocurre en el laboratorio ya que usamos vidrios refractarios como el pyrex que tiene un coeficiente de dilatación menor que vidrio común

VII. Conclusiones

Los efectos comunes de cambios de temperatura son cambio de tamaño y de estado deL

material.

Cuando aumentamos la temperatura se incrementa la distancia media entre los átomos

debido a la absorción de energía, esto conduce a la dilatación del cuerpo sólido

conforme se eleva la temperatura. Por lo tanto el coeficiente de dilatación térmica lineal

es una constante de proporcionalidad que relaciona la dilatación con la variación de

temperatura y ésta constante es propia de cada material.

informe dilatacion

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