DILATACI N Y EXPANSI N T RMICA





DILATACIÓN Y EXPANSIÓN TÉRMICA
1. OBJETIVO
Determinar el coeficiente de dilatación de los metales cobre, aluminio, hierro.
2. FUNDAMENTO TEORICO
Cuando la temperatura de un sólido varia, se produce un cambio en sus dimensiones (dilata o contrae), y a menudo deforma, que se conoce como dilatación térmica. Cuando se recupera la temperatura inicial, se recuperan las dimensiones y la forma, ypor tanto, el fenómeno es reversible.
Un incremento de temperatura implica, normalmente, un aumento de las distancias interatómicas (y por tanto, una dilatación) debido al incremento de la vibración térmica de cada uno de los átomos. Si imaginamos un sistema sencillo formado por d os átomos enlazados, a 0ºK el sistema es estático, no hay vibración térmica y los centros de los átomos se encuentrana una distancia determinada d0.
Al aumentar la temperatura, los átomos vibran alrededor de posiciones de equilibrio, y por tanto, la distancia promedio entre los dos centros (d1) es mayor y el sistema dilata. En la figura 1, para simplificación se ha representado una vibración esférica alrededor del centro, por bien que en realidad no tiene esta forma). Intuitivamente, es fácil imaginar que amayor temperatura, más amplia es la vibración, y más grande la distancia entre los átomos, con el límite de estabilidad del sistema (transformación o fusión, en el caso de los cristales).
Cada cuerpo tiene un único coeficiente de dilatación lineal como por ejemplo de los metales: acero (1,1x10-5), aluminio (2,4x10-5), cobre (1,7x10-5), etc. Dicho coeficiente nos expresa la dependencia de la longitudde las muestras con su temperatura y tiene importancia en el estudio de las ecuaciones de estado de los diferentes materiales, a través de las relaciones termodinámicas adecuadas
La mayor parte de los materiales se dilatan cuando se realiza una transformación isóbara (a presión constante) en la que aumente su temperatura, siempre que no haya ningún proceso de cambio de fase en dichatransformación. Generalmente, en el caso de sustancias sólidas, el calor que se introduce en el sistema para aumentar su temperatura hace aumentar la amplitud de vibración de los átomos que componen el material y con ello la separación media entre ellos, este efecto corresponde a una dilatación macroscópica.
Si suponemos un objeto de longitud, L, sometido a un cambio de temperatura ∆T, suficientemente pequeño,podemos considerar proporcional la dependencia entre el aumento de longitud total de la muestra, ∆L, y su aumento de temperatura. Matemáticamente, lo podríamos expresar como sigue:


Donde es el denominado coeficiente lineal de dilatación térmica, objeto de medida en esta experiencia, siendo sus dimensiones [1/ºC] o [1/K] en el Sistema Internacional de unidades (SI). En materiales anisótropos esdiferente en cada dirección de simetría, en aquellos isótropos, como los que se proponen en el experimento, el coeficiente de dilatación lineal es el mismo en todas las direcciones. Por ello, con una sola medida se determina completamente el coeficiente de dilatación cúbico. Por otro lado, ya que el rango de temperatura en el que se van a realizar los ensayos [Tamb, Tebullición], es pequeño. Sepuede considerar que en dicho intervalo el parámetro a no depende de la temperatura, aproximación que se ha realizado en la ecuación (1).
3. PROCEDIMIENTO
Para la determinación experimental de los coeficientes de dilatación del Cobre, Aluminio y Hierro, se comenzó por medir la longitud de las barras de Cobre, Aluminio y Hierro, el cual en ambos era de 755 [mm], además el equipo con el que setrabajo en laboratorio constaba de un banco de medida con un dial micrométrico y termistor, un tester (polímetro, uso de óhmetro) y un generador de vapor. Se comenzó por hacer la prueba para el Cobre, montado la barra al banco de medida, conectando una delgada manguera del generador de vapor a la barra de Cobre, se debió tomar en cuenta que el termistor este posicionado correctamente, luego se...