Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas

Laboratorio 6

Dilatación TérmicaCoeficiente de dilatación

Integrantes: - Danissa Aguirre- Valeska Cortés- Juan Carlos Guzmán- Diego Parraguez- Bryan Palominos

Asignatura: - Materiales de Ingeniería- Ciencia de los materiales

Profesor:- Sergio Cárdenas

Fecha:- 12 de Octubre del 2010

RESUMEN EJECUTIVO

En el siguiente informe se describirá detalladamente la experiencia obtenida del laboratorio de Dilatación Térmica, el cual se complementará con un análisis de los resultados obtenidos para luego discutir sobre estos resultados y establecer algunas conclusiones.

El laboratorio consistió en medir la dilatación longitudinal que sufren dos materiales sólidos que fueron expuestos a un aumento progresivo de la temperatura. Los materiales ocupados fueron dos barras, la primera de bronce y la segunda de aluminio, los cuales se conectaron a un sistema en el cual hace circular vapor de agua para así calentar la barra para luego obtener la dilatación que tuvo con un cambio de la temperatura.

Los resultados que se obtuvieron al reemplazar en la formula fueron, para la barra de bronce se obtuvo un coeficiente de dilatación igual a 19 x 10-6 y para la barra de aluminio se obtuvo un valor igual a 23,8 x 10-6 , acercándose mucho a los valores estandarizados.

El objetivo principal de este laboratorio es determinar el coeficiente de dilatación, el cual relaciona una variación de la dilatación con un cambio de temperatura determinada, teniendo ya establecido esto se vuelve necesario dar respuestas al por qué de los distintos coeficientes que se obtuvieron, por qué el aluminio presenta una dilatación distinta a la del bronce y a que se debe, en este informe se tratara de dar respuestas a estas problemáticas.

OBJETIVOS

Objetivo General

Obtener los coeficientes de dilatación de cada material

Objetivos Específicos

Comparar y analizas los valores obtenidos de cada barra.

Mediante el aumento de temperatura del agua, obtener las dilataciones de la barra de bronce y aluminio.

METODOLOGÍA

Para la realización de este laboratorio se siguieron los siguientes procedimientos:

La instalación del sistema de trabajo consistió en enganchar la matraz al soporte universal para luego ubicar un mechero bajo la matraz.

La matraz estará sellada con un corcho que a su vez esta conectado a un tubo el cual conducirá el flujo del vapor hasta las barras de ensayo (bronce y aluminio). La barra por su parte, siempre estará en contacto con el deformímetro.

Con una huincha de medir, se midió la longitud transversal de la barra, para determinar su longitud inicial, y a su vez se registró su temperatura inicial.

Debido a que se va a determinar la expansión lineal de la barra, se debe registrar el estado inicial del deformímetro, para luego ir calculando cuanto se ha estirado.

Luego de haber obtenidos todas las lecturas iniciales, se procedió a encender el mechero, para hervir 150 ml de agua.

Luego de que el agua hirviera, se debe esperar a que el vapor viaje por el conducto llegando hasta la barra, es aquí en donde toda esta temperatura empieza a realizar un trabajo cinético sobre la barra haciendo que ésta cambie su longitud.

Observando detalladamente se tomaron las lecturas de temperatura hasta el punto máximo en donde no varíe mas, a su vez, se registraron los datos de deformación.

Este proceso fue realizado en ambas barras primero en la de bronce y luego en la de aluminio.

EQUIPAMIENTO

Mechero: Plein Air 49-AR0122 ART.2003 COLORADO P

Mechero: se utiliza para calentar, fundir o evaporizar sustancias. La llama del mechero que arde correctamente es transparente y tiene un matiz azulado. No es luminosa y no desprende humo negro. En ella se distinguen con claridad dos zonas. La zona interior tiene una temperatura de 200 a 500°C. en su parte inferior tiene lugar la composición del gas y en la parte superior transcurre la combustión no completa acompañada del desprendimiento de carbono libre cuyas partículas incandescentes despiden luz.

Termómetro.

Brannan 0°C a 110°C Resolución de 1°C

Un termómetro es un instrumento que sirve para medir la temperatura, basado en el efecto que un cambio de temperatura produce en algunas propiedades físicas observables y en el hecho de que dos sistemas a diferentes temperaturas puestos en contacto térmico tienden a igualar sus temperaturas.

Soporte universal, nuez, pinza: PHYWE

El soporte universal es una herramienta que se utiliza en laboratorio para realizar montajes con los materiales presentes en el laboratorio y obtener sistemas de medición o de diversas funciones, como por ejemplo: un fusiómetro un equipo de destilación.

Embudo de Vidrio:

Se emplea para trasvasar líquidos o disoluciones de un recipiente a otro y también para filtrar, en este caso se coloca un filtro de papel cónico o plegado.

Matraz Aforado .

Instrumento de laboratorio que se utiliza, sobre todo, para contener y medir líquidos. Es un recipiente de vidrio de forma esférica o troncocónica con un cuello cilíndrico.

Manguera para ensayos:

La manguera utilizada no tenía una marca específica y se utilizo para la transferencia de calor desde el matraz hasta el material evaluado para que luego se pudiera establecer mediante un termómetro la temperatura alcanzada.

Termómetro digital:

La temperatura se media mediante la sensibilidad proporcionada por el termómetro digital que poseía una conexión con vía a la computadora para poder presenciar el aumento de la temperatura a mediada del tiempo que se ponía el líquido en un calor constante.

Huincha:

El flexómetro o cinta métrica es un instrumento de medición, con la particularidad de que está construido en chapa metálica flexible debido su escaso espesor, dividida en unidades de medición, y que se enrolla en espiral dentro de una carcasa metálica o de plástico. Algunas de estas carcasas disponen de un sistema de freno o anclaje para impedir el enrollado automático de la cinta, y mantener fija alguna medida precisa de esta forma.

Longitud 3.5 mTolerancia: 1mm

Deformímetro: Se trata de una pieza metálica extensible con un comparador en la parte central que capta las variaciones de longitud. Se deben fijar dos tetones, uno a cada lado de la fisura, y colocar los extremos del deformímetro sobre ellos. Este aparato tiene una precisión de hasta 0,001 mm. También permite obtener información sobre los movimientos producidos en un plano; en este caso se debe fijar en tres puntos el aparato de manera que formen un triángulo sobrepuesto a la fisura.

PRESENTACIÓN DE DATOS

Los datos obtenidos en el laboratorio se resumen en la siguiente tabla:

Medidas Barra de Bronce Barra de Aluminio

T0 20.6°C 23.9°C

Tf 98.8°C 98.5°C

L0 21.3 cm 21.9 cm

l0 0.81 mm 0.59 mm

lf 0.14 mm 0.98 mm

ANALISIS Y DISUCIÓN DE RESULTADOS

Dada la ecuación de Dilatación Lineal:

∆ l=∆ T α L0

Con:

∆l = lf – l0 (Variación de longitud de la barra)

∆T= Tf – T0 (Variación de temperatura)

L0 = Longitud inicial de la barra

α = Coeficiente de dilatación térmica

Por ende, a partir de los datos expuestos anteriormente, se puede calcular el coeficiente de dilatación de las distintas barras, y posteriormente comparar los resultados prácticos con los teóricos.

Actividad 1: Barra de Bronce

∆l = 0.33 mm = 0.033 cm

∆T= 78.2°C

Lo = 21.3 cm

α= ∆ l∆ TL

Por lo tanto:

α= 0.033 cm78.2℃× 21.3 cm

= 0.0331665.66℃

=19 × 10−6

Actividad 2: Barra de Aluminio

∆l = 0.39 mm = 0.039 cm

∆T= 74.6°C

Lo = 21.9 cm

α= 0.039 cm74 .6℃×21. 9cm

= 0.0391633 . 74℃

=23.8× 10−6

Observación: Los valores obtenidos son resultados que se asemejan a la realidad, pero existe una pequeña variación debido a que el equipo utilizado no es el más apto para este tipo de mediciones, ya que mide de golpe el cambio de longitud, mientras que los equipos más avanzados van midiendo grado a grado el cambio de longitud que presenta el material

DiscusiónComo se pudo observar en el análisis de resultados, el coeficiente de dilatación térmica en el aluminio fue mayor que el coeficiente de expansión arrojado por el bronce. En base a esto se pueden plantear preguntas como “por qué el aluminio presenta una dilatación distinta a la del bronce y a que se debe”, son estas problemáticas las que se discutirán a continuación.

La dilatación de un material se produce cuando este absorbe energía térmica (calor) lo que produce un movimiento de sus partículas, esta vibración hace parecer que el radio de los átomos es mayor y a la vez provoca que se salgan de su posición de equilibrio, por lo cual las dimensiones del material se incrementan. Este movimiento de partículas del material está estrechamente relacionado con sus enlaces atómicos por lo cual un material que presenta enlaces atómicos muy fuertes se traduce en una menor separación de los átomos y por consiguiente se tendrá una menor dilatación, ósea un coeficiente lineal de expiación bajo. En este caso los dos materiales utilizados (bronce y aluminio) presentan enlaces metálicos que son más fáciles de estirar, caso contrario son los materiales que presentan enlaces covalentes, como el silicio y estaño, ya que estos enlaces son muy fuertes y difíciles de estirar.

Ya que existe una relación entre el coeficiente de dilatación con los enlaces que presentan los materiales, se puede incluir otra variable mas que se relaciona con la expansión lineal de una material, la cual es el punto de fusión que presenta cada material, ya que a mayor punto de fusión menor será el coeficiente de dilatación y viceversa, por lo cual se puede nuevamente reiterar que el bronce presenta un menor coeficiente ( aprox. 18 x 10 -6 ) que el aluminio ( aprox. 24 x 10 -6 ) debido a que el punto de fusión del bronce fluctúa ente los 830°C – 1020°C y el aluminio presenta un punto de fusión de 660°C.

La dilatación de los sólidos es un punto muy importante a considerar a la hora de construir estructuras como puentes o vías ferroviarias ya que dilatación o contracción de un material aun que sea pequeña puede ocasionar grandes consecuencias. Por ejemplo un puente de metal de 50 m. de largo que pase de 0° a 50 podrá aumentar unos 12 cm. de longitud; si sus extremos son fijos se engendrarán tensiones sumamente peligrosas que pueden ocasionar un derrumbe, es por esto que los ingenieros encontraron respuesta a esta problemática montando rodillos para el movimiento de esta dilatación. En las vías del ferrocarril se procura dejar un espacio entre los rieles por la misma razón; este intersticio es el causante del traqueteo de los vagones.

CONCLUSIÓN

- Tras haber obtenido los datos y reemplazarlos en la formula se puede concluir que el Aluminio presenta un mayor coeficiente de dilatación en comparación con el Bronce.

- Según lo discutido anteriormente se concluye que por lo tanto el Aluminio presenta un menor Punto de Fusión y un enlace más débil haciendo que sus átomos vibre con una mayor distancia provocando que el material sufra una dilatación.

- BIBLIOGRAFÍA

Título: Ciencia e Ingeniería de Materiales Autor: Donald R. AskelandEditorial: International Thomson Editores

 

Anexo Nº 1

PAUTA DE EVALUACIÓN DEL INFORME

VARIABLES A EVALUAR Puntaje Nota

1. Resumen ejecutivo 0,7

2. Objetivos de la experiencia 0,2

3. Metodología experimental 1,0

4. Características técnicas de equipos, instrumentos e instalaciones

0,5

5. Presentación de datos 0,4

6. Presentación y discusión de resultados 1,0

7. Conclusiones 1,5

8. Apéndice 0,2

9. Redacción y presentación del informe 0,5

Punto base 1,0 1,0

NOTA DEL INFORME 7,0