PROPIEDADES TERMICAS DE LA MATERIA - COEFICIENTE DE
DILATACION VOLUMETRICO DEL AGUA
Objetivo:
* Comprender la interacción de la energía térmica con la
materia.
* Determinar algunas características térmicas de los materiales.
* Explicar los fenómenos estudiados a partir de la teoría
cinético- molecular de la materia y de las leyes de la
termodinamica.
ANTECEDENTES TEORICOS
Coeficiente de dilatación
Se denomina coeficiente de dilatación al cociente que mide el cambio
relativo de longitud o volumen que se produce cuando un cuerpo sólido o
un fluido dentro de un recipiente experimenta un cambio de temperatura que
lleva consigo una dilatación térmica.
Sólidos
Para sólidos, el tipo de coeficiente de dilatación mas
comúnmente usado es el coeficiente de dilatación lineal αL.
Para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente
comparando el valor de dicha magnitud antes y después de cierto cambio
de temperatura, como:
Puede ser usada para abreviar este coeficiente, tanto la letra griega alfa como
la letra lambda
Gases y líquidos
En gases y líquidos es mas común usar el coeficiente de
dilatación volumétrico αV o β, que viene dado por la
expresión:
Para sólidos, también puede medirse la dilatación
térmica, aunque resulta menos importante en la mayoría de
aplicaciones técnicas. Para la mayoría de sólidos en las
situaciones practicas de interés, el coeficiente de
dilatación volumétrico resultaser mas o menos el triple
del coeficiente de dilatación lineal:
Algunos valores de coeficientes de expansión volumétrica, que son
constantes cuando el cambio de temperatura es menor que 100°C
Aplicaciones
El conocimiento del coeficiente de dilatación (lineal) adquiere una gran
importancia técnica en muchas areas del diseño industrial.
Un buen ejemplo son los rieles del ferrocarril; estos van soldados unos con
otros, por lo que pueden llegar a tener una longitud de varios centenares de
metros. Si la temperatura aumenta mucho la vía férrea se
desplazaría por efecto de la dilatación, deformando completamente
el trazado. Para evitar esto, se estira el carril artificialmente, tantos
centímetros como si fuese una dilatación natural y se corta el
sobrante, para volver a soldarlo. A este proceso se le conoce como
neutralización de tensiones.
Para ello, cogeremos la temperatura media en la zona y le restaremos la que
tengamos en ese momento en el carril; el resultado lo multiplicaremos por el
coeficiente de dilatación del acero y por la longitud de la vía a
neutralizar.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
1. Para determinar el coeficiente de dilatación del volumen del agua se
coloca un volumen inicial de 125 ml de agua (Vo) dentro de un matraz a
temperatura ambiente (To)
2. El matraz se sella con un tapón de hule en donde se coloca un
termómetro y un tubo devidrio.
3. Esto se realiza de tal forma que el nivel de agua apenas sobresalga unos
milímetros encima del tapón.
4. El matraz se coloca en una parrilla eléctrica para permitir que el
sistema aumente su temperatura.
5. En el instante en que el agua se empieza a derramar se toma la temperatura
fina (T) y la altura h de la columna de agua.
El incremento del volumen del agua corresponde al volumen de la columna, por lo
cual, es necesario medir el diametro interno del tubo de vidrio para
determinar el radio (r) del mismo.
Con estos datos se sustituye en:
V = (2) (r) (h)
Con lo cual el coeficiente de dilatación volumétrico del agua es:
= V / Vo T
RESULTADOS:
PROPIEDADES TERMICAS DE LA MATERIA
CALOR ESPECÍFICO DE UN LÍQUIDO
Objetivo:
* Comprender la interacción de la energía térmica con la
materia.
* Determinar algunas características térmicas de los materiales.
* Explicar los fenómenos estudiados a partir de la teoría
cinético- molecular de la materia y de las leyes de la
termodinamica.
ANTECEDENTES TEORICOS
El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que
es representativo de cada sustancia; por el contrario, la capacidad calorífica
una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular.[]
Cuanto mayor es el calor específico de las sustancias, mas
energía calorífica se necesita para incrementar la temperatura.
Por ejemplo, se requiere ocho veces masenergía para incrementar
la temperatura de un lingote de magnesio que para un lingote de plomo de la
misma masa.
El término 'calor específico' tiene su origen en el
trabajo del físico Joseph Black, quien realizó variadas medidas
calorimétricas y usó la frase “capacidad para el
calor”.[] En esa época la mecanica y la
termodinamica se consideraban ciencias independientes, por lo que
actualmente el término podría parecer inapropiado; tal vez un
mejor nombre podría ser transferencia de energía
calorífica específica, pero el término esta
demasiado arraigado para ser reemplazado.[]
El calor específico medio () correspondiente a un cierto intervalo de
temperaturas se define en la forma:
Donde es la transferencia de energía en forma calorífica en el
entre el sistema y su entorno u otro sistema, es la masa del sistema (se usa
una n cuando se trata del calor específico molar) y es el incremento de
temperatura que experimenta el sistema. El calor específico ()
correspondiente a una temperatura dada se define como:
El calor específico () es una función de la temperatura del
sistema; esto es,. Esta función es creciente para la mayoría de
las sustancias (excepto para los gases monoatómicos y
diatómicos). Esto se debe a efectos cuanticos que hacen que los
modos de vibración estén cuantizados y sólo estén
accesibles a medida que aumenta la temperatura. Conocida la función, la
cantidad de calor asociada con un cambio de temperatura del sistemadesde la
temperatura inicial Ti a la final Tf se calcula mediante la integral siguiente:
En un intervalo donde la capacidad calorífica sea aproximadamente
constante la fórmula anterior puede escribirse simplemente como:
Cantidad de sustancia
Cuando se mide el calor específico en ciencia e ingeniería, la
cantidad de sustancia es a menudo de masa, ya sea en gramos o en kilogramos,
ambos del SI. Especialmente en química, sin embargo, conviene que la
unidad de la cantidad de sustancia sea el mol al medir el calor
específico, el cual es un cierto número de moléculas o
atomos de la sustancia. Cuando la unidad de la cantidad de sustancia es
el mol, el término calor específico molar se puede usar para
referirse de manera explícita a la medida; o bien usar el término
calor específico masico, para indicar que se usa una unidad de
masa.
Unidades de calor
La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional es el joule (J). La
caloría (cal) también se usa frecuentemente en las aplicaciones
científicas y tecnológicas. La caloría se define como la
cantidad de calor necesario para aumentar en 1 °C la temperatura de un
gramo de agua destilada, en el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C. [9] Es
decir, tiene una definición basada en el calor específico.
Unidades de calor específico
En el Sistema Internacional de Unidades, el calor específico se expresa
en julios por kilogramo y por kelvin (J·kg-1·K-1); otra unidad,
no perteneciente al SI, esla caloría por gramo y por kelvin
(cal·g-1·K-1). Así, el calor específico del agua es
aproximadamente 1 cal/(g·K) en un amplio intervalo de temperaturas, a la
presión atmosférica; exactamente 1 cal·g-1·K-1 en
el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C (por la definición de la
unidad caloría).
En los Estados Unidos, y en otros pocos países donde se sigue utilizando
el Sistema Anglosajón de Unidades, el calor específico se suele
medir en BTU (unidad de calor) por libra (unidad de masa) y grado Fahrenheit
(unidad de temperatura).
La BTU se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado
Fahrenheit la temperatura de una libra de agua en condiciones
atmosféricas normales. [10]
DESARROLLO EXPERIMENTAL:
Para determinar el calor específico de un líquido, se utiliza un
calorímetro eléctrico, por lo cual es necesario:
1. Determinar la cantidad de calor (Q) que proporciona la resistencia
eléctrica.
2. Deposite 200 ml de agua (m) dentro del calorímetro
3. Mida la temperatura inicial del sistema (To)
4. Conecte las terminales a los bornes del calorímetro y accione el
interruptor un lapso de 90 s.
5. Mientras transcurre el tiempo indicado agite constantemente.
6. Apague el interruptor y mida la maxima temperatura marcada por el
termómetro (T)
7. Utilice el calor específico (c) del agua y determine la cantidad de
calor que proporciona la resistencia eléctrica en el tiempo indicado
