Levantamiento

"DETERMINACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA"

Introducción al experimento:

La diferencia de temperaturas en distintos puntos de un sistema genera los procesos de intercambio de calor, que pueden ser debidos a tres mecanismos: conducción, convección y radiación.
En esta experiencia el mecanismo de conducción en sólidos. La base matemática del proceso de conducción es la ley de "Fourier",cuyo enunciado, para sistemas unidimensionales de tamaño finito, caso de una lámina de espesor, h que se pueda considerar infinitamente extensa, es el siguiente:

Si este material en forma de lámina plana, tal y como aparece en la figura, se encuentra en contacto con dos focos térmicos a diferente temperatura Tc (caliente) y T. (frío) y ha alcanzado el régimen estacionario, la cantidad de calor porunidad de tiempo y superficie que atraviesa la placa será proporcional a la diferencia de temperaturas e inversamente proporcional a su espesor, dicha constante de proporcionalidad se denomina conductividad térmica, k, del material.



Figura 1
Analíticamente el enunciado anterior se pude escribir de la siguiente forma

∆Q- calor intercambiado en el tiempo ∆t,entre el foco frío y el caliente (J).
∆T- diferencia de temperaturas entre los focos frío y el caliente (ºC).
k- conductividad térmica (W/mºC).
A- área de la sección transversal del bloque cilíndrico (m2).
h- espesor de la muestra (m).

En función del valor de la conductividad térmica, los materiales se pueden clasificar en buenos
conductores del calor, k elevadas o malos conductores k,pequeñas.
M.Ramos Página 3 11/03/02 3
Para determinar el valor de la conductividad térmica, despejamos este parámetro en la ecuación (1) y
obtenemos:

La técnica de medida de la conductividad térmica, que emplearemos en esta experiencia, se basa en la
determinación experimental del flujo de calor que atraviesa la muestra situada en el soporte de
experimentación, que mantiene al foco térmico,Tc a la temperatura constante de ebullición del agua haciendo
circular vapor a su través, y el foco frío a la temperatura de fusión, también del agua, mediante un bloque de
hielo en fusión que se sitúa en contacto térmico con la otra cara de la muestra, Tf. Además habrá que
determinar el área de contacto entre el hielo y la muestra. Por lo tanto, mediremos las siguientes variables:
- Espesorde la muestra, h de fácil determinación con un pie de rey.
- La superficie de contacto entre el hielo y la muestra, A. Se hallará a partir de la medida del
diámetro del bloque al inicio y final de la experiencia para reducir el error cometido.
- El flujo de calor, ∆Q/∆t, se determinará midiendo la masa de agua fundida en un intervalo de
tiempo determinado. Esta medida se realizará en doscondiciones diferentes:
1.- Cuando el foco caliente esté a la temperatura ambiente.
2.- cuando el foco caliente está ya a la temperatura de ebullición.
¡La diferencia entre estas dos cantidades será realmente el flujo de calor intercambiado a través
de las superficies paralelas del material!
- Diferencia de temperaturas (Tc-Tf) entre el foco caliente y frío. Esta diferencia será de
aproximadamente98.5ºC, dependiendo de las condiciones de presión atmosférica en las que se realice
la experiencia.
II.- Aparatos:
En este experimento manejaréis los siguientes elementos. Para establecer los focos de temperatura
constante, contaremos con un generador de vapor regulable (¡ATENCION CON EL NIVEL DE AGUA EN EL GENERADOR DE
VAPOR!), fijaos que tenga siempre agua en la caldera, no más de 3/4partes de su capacidad. Se establecerá una
temperatura en el foco caliente, Tc constante e igual a la temperatura de ebullición del agua en las condiciones
de experimentación. El foco frío es mantenido a una temperatura próxima a 0ºC por medio del contacto con un
bloque de hielo en fusión.
Además, contáis con un cronómetro y una balanza para medir la masa de agua fundida en un intervalo
de...