Dilatacion termica de metales

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Laboratorio de Física Básica Física 2 (Fluidos y Termodinámica) 
LF-007/ 1 de 7 
Dilatación térmica de metales 
 
Autora: Mg. Felícitas Nina Herrera 
 
A. OBJETIVO 
Determinar la dilatación lineal de metales en función de la temperatura utilizando un dilatómetro. 
 
B. INFORMACIÓN TEÓRICA 
Las dilataciones y contracciones de los materiales deben tenerse en cuenta a la hora de diseñar estructuras 
o aplicaciones mecánicas, ya que un cambio de temperatura en el entorno puede provocar defectos, fallos 
de funcionamiento o incluso accidentes graves. 
Por ejemplo, este principio es muy importante en el diseño de ferrocarriles y aviones, en la construcción de 
puentes, en el remachado de dos metales, en el termómetro de líquidos y en muchos otros. 
En un sólido o un líquido, existe un equilibrio dinámico entre las fuerzas de cohesión que mantienen unidos 
a los átomos o moléculas y las condiciones creadas por la temperatura. Los distintos materiales tienen 
diferentes fuerzas de unión entre los átomos. 
La dilatación volumétrica de los líquidos y la dilatación lineal de diversos materiales se determina en 
función de la temperatura. 
La dilatación o expansión térmica de sólidos es una consecuencia de los cambios de separación entre los 
átomos constituyentes de un objeto. Cuando la temperatura aumenta en un sólido o metal, los átomos 
vibran chocando entre sí, en forma desordenada, produciendo un aumento en la amplitud y la frecuencia, 
como un resultado de una separación promedio de su incremento. Considerando una barra de longitud 
inicial 𝑙0, como se muestra en Fig. 1, con una temperatura inicial 𝑇0, cuando la temperatura aumenta hasta 
una temperatura T (T > To), la longitud de la barra se incrementa en ∆𝑙 respecto a la longitud inicial 𝑙0 . 
 
 
Figura 1. Dilatación de una barra metálica 
 
Expresemos estos hechos experimentales de la siguiente forma: 
∆𝑙 = 𝛼 𝑙0 ∆𝑇 (1) 
Donde 𝛼 recibe el nombre de coeficiente de expansión lineal del material. 
Dado que los cambios en la longitud: ∆𝑙 = 𝑙 − 𝑙0 
 
La despejar 𝛼 de la ecuación (1) , se obtiene: 
𝛼 =
𝑙−𝑙0
𝑙0(𝑇−𝑇0)
=
∆𝑙
𝑙0 ∆𝑇
 (2) 
y por lo tanto 
 
𝑙 = 𝑙0[1 + 𝛼1(𝑇 − 𝑇0)] (3) 
Donde 𝑇0 es la temperatura inicial. 
 
Esto es como consecuencia del cambio en la separación media entre sus átomos o moléculas al aumentar la 
temperatura del metal. Es importante mencionar que el coeficiente de expansión térmica lineal en general 
no es constante, pero puede tener un comportamiento lineal en cierto rango de temperatura. 
Material Coeficiente promedio de expansión lineal (°C)-1 
Hierro 12 × 10−6(°𝐶)−1 
Latón 19 × 10−6(°𝐶)−1 
Aluminio 24 × 10−6(°𝐶)−1 
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C. MATERIALES Y ESQUEMA 
• Termostato de inmersión Alpha A, hasta 100°C, 230 V (08493-93) 
• Kit de circulación externa para Termostato Alpha A (08493-02) 
• Cubeta para termostato, 6 litros (08487-02) 
• Dilatómetro con reloj de medición (04233-00) 
• Manguera de conexión, d = 6 mm, 𝑙 = 1 𝑚 
• 03 Varilla de hierro y 02 varillas de latón de 600 mm de longitud 
• Manguera de conexión, 𝐷 = 6 𝑚𝑚, 𝑙 = 1 𝑚 
• Manguera de conexión, 𝐷 = 6 𝑚𝑚, 𝑙 = 0,6 𝑚 
• Agua destilada 
• 02 franelas 
• Papel absorbente 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2. Montaje experimental para medir la dilatación térmica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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PELLIDOS Y NOMBRES: CUI: 
ESCUELA PROFESIONAL: FECHA: 
HORARIO: FIRMA: 
PROFESOR (A): NOTA: 
Dilatación térmica de metales 
 
D. CUESTIONARIO PREVIO 
1. ¿Por qué los cuerpos sólidos aumentan sus dimensiones cuando se eleva su temperatura? Explique 
desde el modelo atómico. 
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2. ¿Cómo se define el coeficiente de dilatación lineal de los sólidos? 
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3. Demuestre y describa la ecuación (3). 
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4. Mencione algunas de las aplicaciones más importantes de dilatación lineal de los sólidos. 
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E. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 
Experimento de dilatación térmica lineal 
1) Realizar las conexiones de la manguera de acuerdo a la Figura 2. 
2) Conectar el dilatómetro al circuito del agua con la varilla de hierro ó la varilla de latón de acuerdo 
a la Figura 2. 
3) Colocar la varilla de hierro ó latón en la base del dilatómetro. Ajustar con la tuerca en ambos 
extremos de la varilla de hierro ó latón. 
4) Colocar el reloj del dilatómetro en la base del dilatómetro, el tubo del reloj debe tener contacto con 
la varilla de hierro ó latón. Poner cero el reloj del dilatómetro, como se muestra la figura 3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3: Dilatómetro con reloj de medición 
 
 
5) Vierta agua destilada en la cubeta hasta cubrir por completo termostato de inmersión Alpha A. 
Nota: Tenga cuidado “el termostato debe estar cubierto con agua destilada por completo” 
 
Solicite la supervisión del docente, antes de poner en funcionamiento del experimento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 4: Termostato de inmersión Alpha A 
 
 
6) Conecte el termostato de inmersión (Lauda) con la fuente de tensión de 220 V. Ajustar el botón de 
encendido del termostato (Lauda), ver figura 4. Esperar hasta que la temperatura inicial se 
estabilice (𝑇0); ajustar en cero el reloj del dilatómetro. 
7) Para fijar la temperatura, ajuste el botón amarillo dos veces, luego ajuste el botón rojo para elevar 
la temperatura deseada, nuevamente ajuste sólo una vez el botón amarillo. Esperar hasta que la 
temperatura fijada se mantenga constante. Registre la lectura en el dilatómetro con reloj de 
medición (∆𝑙) en la tabla 1. 
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8) Repita el procedimiento del enciso 7 hasta completar la tabla 1. 
9) Una vez terminado las mediciones antes de apagar el termostato de inmersión (Lauda), ajuste el 
botón amarillo dos veces, luego ajuste el botón azul para bajar la temperatura hasta 
aproximadamente 20°C, espere unos minutos que empieza a bajar la temperatura luego ajustar por 
dos veces el botón amarillo. 
10) Apagar el termostato de inmersión (Lauda) con el botón de interruptor principal de LAUDA (botón 
de encendido). 
11) Dejar enfriar. Sugerencia: Para este experimento considere la temperatura máxima de 60°C 
 
Longitud inicial: 𝑙0 = 600 𝑚𝑚 
Temperatura inicial:𝑇0 = ________ °𝐶 
Tabla 1 
 
Varilla: 
 
Lec. T (°C) Lectura ∆𝒍 
1 
2 25 
3 30 
4 35 
5 40 
6 45 
7 50 
8 55 
9 60 
 
 
F. ANÁLISIS DE DATOS 
1. Con los datos de la tabla 1, complete la tabla 2. Multiplicar la lectura de ∆𝑙 por el valor de 0,01 
∆𝑙 = ∆𝑙 (𝑚𝑚) × 0,01 
∆𝑇 = 𝑇 − 𝑇0 
Tabla 2 
Varilla: 
 
∆𝑙 (𝑚𝑚) ∆T (°C) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.Con los datos de la Tabla 2, grafique ∆𝑙 en función de ∆𝑇, para la varilla de hierro ó latón; con sus 
respectivas unidades. 
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2 ¿Cuál es el significado físico de la pendiente de la gráfica? Explique. 
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G. COMPARACIÓN Y EVALUACIÓN 
1. A partir de la pendiente de la gráfica, obtenga el valor de 𝑐𝑒 (Coeficiente de expansión lineal 
experimental) de la varilla y comparar con el valor teórico de coeficiente de expansión lineal 
bibliográfico 𝑐𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 . Justifique su respuesta. 
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H. CONCLUSIONES 
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I. CUESTIONARIO FINAL 
1. ¿La densidad de la varilla (tubo) sufrirá cambios durante la experiencia? 
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2. Durante el experimento, cuando se ha fijado la temperatura en el termostato de inmersión y se 
establece una temperatura constante, ¿explique cómo se mantiene la temperatura constante en la varilla? 
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3. ¿Por qué algunos materiales se quiebran con cambios de temperatura altos? Menciones un ejemplo. 
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4. Si en lugar de una varilla (tubo) metálico tendríamos una varilla maciza del mismo material ¿sería 
igual el coeficiente de dilatación para esta varilla? Justifique su respuesta. 
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J. BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL 
Autor Título Edición Año 
 
 
 
 
K. BIBLIOGRAFÍA DE REFERENCIA 
1. Guías de Laboratorio de Física Básica, Departamento Académico de Física UNSA, Año 2016.