Dilatación termica de los materiales

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
Área de Procesos Mecánicos
INGENIERÍA EJECUCIÓN EN MECÁNICA
PLAN 2002
GUÍA DE LABORATORIO
ASIGNATURA “MATERIALES”
CODIGO 15053
NIVEL 03
EXPERIENCIA E05
“DILATACIÓN TÉRMICA DE LOS MATERIALES
USADOS EN INGENIERÍA”
HORARIO:MARTES:3-4-5-6
VIERNES:7-8-9-10
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DILATACIÓN TÉRMICA DE LOS MATERIALES USADOS EN INGENIERÍA
1.- OBJETIVO GENERAL
Familiarizar al alumno con la propiedad de dilatación térmica de los materiales y
cuantificar el coeficiente de diversos materiales sólidos usados en ingeniería.
2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS
2.1.- Internalizar el concepto de dilatación térmica de diferentes materiales sólidos usados
en ingeniería.
2.2.- Conocer metodologías para determinar empíricamente el coeficiente de dilatación
térmica.
2.3.- Obtener la curva “coeficiente de dilatación térmica v/s temperatura” y determinar la
ley entre ambas variables para diferentes materiales.
3.- INTRODUCCIÓN TEÓRICA
3.1 DILATACIÓN DE LOS SÓLIDOS:
Cuando un cuerpo sólido se calienta aumentan todas sus dimensiones: longitud,
superficie y volumen, por lo que la dilatación puede ser: lineal, superficial o volumétrica.
a) Dilatación lineal: Cuando se calienta un cuerpo sólido en el cual predomina la
longitud sobre las otras dos dimensiones, se observa un aumento de su longitud.
Experimentalmente se ha comprobado que la dilatación lineal depende de la
naturaleza de la sustancia.
b) Dilatación superficial: En los cuerpos de forma laminar o plana, en los cuales el
largo y el ancho predominan sobre el espesor, se observa un aumento de la
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superficie cuando se aumenta su temperatura. Esta forma de dilatación también
depende de la sustancia considerada.
c) Dilatación volumétrica: En los cuerpos sólidos donde no hay un marcado predominio
de ninguna de las tres dimensiones del espacio, al ser calentados adquiere
importancia el aumento de volumen. Como en los casos anteriores, también
depende de la naturaleza de la sustancia.
3.2 DILATACIÓN DE LO LÍQUIDOS:
Si se calienta un recipiente lleno de un líquido, luego de un cierto tiempo se observa
que el líquido se derrama, lo cual nos indica que el líquido se ha dilatado.
El recipiente sólido también se ha dilatado, pero el derrame que se produce nos
demuestra que los líquidos se dilatan más que los sólidos.
En general se puede decir que los líquidos se dilatan unas cien veces más que los
sólidos.
3.3 DILATACIÓN DE LOS GASES:
Si se calienta un gas que pueda expandirse libremente, su volumen se incrementa
en forma directamente proporcional al aumento de temperatura, pero si se encuentra en
un recipiente cerrado, donde no pueda aumentar su volumen, se produce un incremento
de presión.
Se ha comprobado experimentalmente que los gases se dilatan en mucho mayor
proporción que los líquidos y los sólidos.
3.4 IMPORTANCIA DE LA DILATACIÓN
El fenómeno de la dilatación tiene diversas consecuencias en nuestra vida cotidiana, pues
a veces plantea problemas de difícil solución y en otros casos es utilizada en forma
provechosa. Por ejemplo:
• La formación de grietas en techo y azoteas es causada, con frecuencia, por el
movimiento de los materiales que los forman, los cuales se dilatan y se contraen
por los cambios de temperatura entre el día y la noche.
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• En los pavimentos de hormigón se dejan de trecho en trecho, juntas de alquitrán
para evitar los efectos de la dilatación en el verano y de la contracción en el
invierno.
• Entre los rieles de las vías férreas se deja un pequeño espacio para evitar que el
aumento de temperatura los deforme.
• Los pistones de un motor son de menor diámetro que los cilindros donde se
desplazan.
Los termostatos son dispositivos destinados a mantener constante la temperatura de un
medio y constituyen una aplicación muy útil de la dilatación. Generalmente cierran un
circuito eléctrico y están formados por dos láminas metálicas de diferente naturaleza
(bronce y aluminio, hierro y aluminio, hierro y platino). Al calentarse los dos metales
soldados se dilatan en forma desigual, pues tienen diferente coeficiente de dilatación,
sufriendo una dilatación que interrumpe el circuito eléctrico. Cuando el bimetal se enfría
recupera su forma recta y vuelve a cerrar el circuito. Este dispositivo se emplea en
heladeras, cocinas, motores, estufas, etc.
La siguiente ecuación (3.1) permite determinar fácilmente la dilatación lineal de una barra.
Las variaciones de longitud se obtienen de las siguientes fórmulas:
DL= L0* α * (t – t0) ( (3.1.)
Siendo:
DL = Variación de longitud, en mm
L0 = Longitud inicial de la barra, en m
t = Temperatura de la barra, en ºC
t0 = Temperatura de referencia, en ºC
4. METODO A SEGUIR:
4.1 El profesor explica a los alumnos el concepto de coeficiente de dilatación térmica de
los materiales y comenta los efectos de dicha propiedad en aplicaciones propias de
la ingeniería.
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4.2 Los alumnos identifican el material de las probetas habilitadas para el laboratorio y
miden sus dimensiones fundamentales, (sección y longitud).
4.2 Se introducen las probetas al horno eléctrico, (con control de la temperatura), y se
espera el tiempo requerido para que las probetas alcancen la temperatura deseada.
4.3 Mediante ejercicios prácticos de medición y usando una probeta adicional, el profesor
explica a los alumnos el procedimiento de medición de la temperatura, (con
termómetro de superficie), y de la longitud, (con un reloj comparador montado en un
soporte especialmente concebido para la experiencia). Con el propósito de evitar
quemaduras se debe tener especial cuidado al momento de manipular las probetas a
temperaturas elevadas y siempre usando los elementos de protección
correspondientes.
4.4 Una a una se extraen las probetas del horno y se procede a medir simultáneamente
la temperatura y la contracción de la probeta, repitiendo las mediciones hasta que la
temperatura este unos 5 a 10ºC por sobre la temperatura ambiental.
5.- VARIABLES A CONSIDERAR
5.1. Características técnicas del termómetro de superficie y del reloj comparador.
5.3Fuentes de error al medir la temperatura y la longitud de la probeta
5.4Coeficiente de dilatación térmica de los Materiales de Ingeniería.
5.5Propagación del error al calcular dicho parámetro.
6.- TEMAS DE INTERROGACIÓN
6.1 Coeficiente de dilatación térmica.
6.2 Importancia de este coeficiente en aplicaciones de ingeniería.
6.3 Termómetros de superficie.
6.4 Reloj comparador.
6.5 Propagación del error.
7.- EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR
7.1 Pié de metro universal con resolución de 0,02mm
7.2 Reloj comparador con resolución de 0.002mm
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7.3 Base soporte del reloj comparador.
7.4 Hormo eléctrico con control de temperatura.
7.5 Termómetro de superficie con resolución de 0,5ºC.
7.6 Probetas de diferentes materiales y de iguales dimensiones y con los extremos
rectificados.
8. LO QUE SE PIDE EN EL INFORME:
8.1 Especificar las características técnicas de los instrumentos empleados en el
laboratorio.
8.2 Descripción del método seguido.
8.2 Presentar los resultados procesados del coeficiente de dilatación térmica de los
materiales ensayados.
8.3 Un análisis de los resultados obtenidos, comentarios y conclusiones personales.
8.4 La referencia bibliográfica.
8.5 El apéndice con:
a.1. Fotografías o esquemas de los instrumentos empleados y su interacción con la
probeta al momento de medir.
a.2 Desarrollo de los cálculos.
a.3. Presentación de resultados.
a.4. Gráficos.
a.5. Resultado de la investigación al tema propuesto por el profesor
9.- BIBLIOGRAFÍA
http://www.nacobre.com.mx/Man_Cu_06-%20Dilatación%20Térmica.asp
http://es.wikipedia.org/wiki/Introducci%C3%B3n_a_la_termodin%C3%A1mica
http://www.nacobre.com.mx/Man_Cu_06-%20Dilataci%C3%B3n%20T%C3%A9rmica.asp
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