Física Química

Elasticidad. Muelle elástico. Coeficiente de viscosidad. Calorímetro. Ley de Joule. Coeficiente de dilatación lineal. Calor por conducción

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PRÁCTICA 1

MUELLE ELÁSTICO

OBJETIVO:

Determinar la constante elástica o recuperadora del muelle (k) mediante dos procedimientos diferentes: ESTÁTICO y DINÁMICO.

FUNDAMENTO FÍSICO: (Procedimiento)

Colgaremos de un muelle vertical una masa M(despreciable), la cual se estirará siguiendo la acción de su propio peso (Mg). Se producirá un estiramiento x que cumpla la Ley de Hooke (pero sin sobrepasar el límite de proporcionalidad)

F = kx

k: constante elástica o recuperadora del muelle.

x: estiramiento.

F: fuerza elástica.

Método Estático:

A partir de una situación inicial que se toma de referencia añadiremos pesas. Construiremos un gráfico llevando al eje de ordenadas F y al eje de abscisas x. La pendiente de la recta será igual a la constante de recuperadora del muelle (k).

El estiramiento x produce una fuerza elástica F que anula el peso y

sobre M hay un equilibrio de fuerzas.

F = Mg = kx

F = k x; F = (M - Mo) g; x = (x - xo).

Mo y xo: valores que se toman de referencia.

Medidas:

Xo = 26 cm.

Mo = (39 + 8,5) = 47.5 g.

32,1 cm

!

47,5 + 27,6 g

38,2 cm

!

47,5 + 55,2 g

44,3 cm

!

47,5 + 82,8 g

50,4 cm

!

47,5 + 110,4 g

56,5 cm

!

47,5 + 138,0 g

Método Dinámico:

A partir de una situación de equilibrio (Mg = kx) ,aplicaremos una fuerza

adicional(estiramiento con la mano del muelle) incrementando el

estiramiento en y. Al soltar obtenemos:

F = Mg - k(x + y)

Para los distintos valores de M se miden los periodos de oscilación (T) y se representan; T^2 en ordenadas y M en abscisas. Al igual que antes, la pendiente de dicha recta será la constante del muelle (k).

Medidas:

PESAS

M (g)

TIEMPO(sg)

T (sg)

OSCILACION

1

75,1

7,72

0,77

10

2

102,7

9,12

0,91

10

3

130,3

10,50

1,05

10

4

157,9

11,63

1,163

10

5

185,5

12,49

1,249

10

PRÁCTICA 2 (1ª PARTE)

COEFICIENTE DE VISCOSIDAD

OBJETIVO:

Determinar el coeficiente de viscosidad de la glicerina por el método de Stokes.

FUNDAMENTO FÍSICO: (Procedimiento)

La fuerza resistente (R) que actúa sobre la esfera es igual a:

R = 6···r·v

Donde  es el coeficiente de viscosidad, que sólo depende de la naturaleza del fluido y de su temperatura.

Sobre una esfera que cae fluido viscoso, actúan unas fuerzas determinadas: su peso constante (P); el empuje hidrostático (E), también constante y por último, la resistencia viscosa (R), dependiente de la velocidad. Estas fuerzas las empleamos en la segunda Ley de Newton para la esfera, que es la siguiente:

P - E - R = m·a

Donde a, su aceleración, no es constante. Nosotros dejaremos caer una esfera bien centrada en la glicerina de la probeta y mediremos con el cronómetro el tiempo que le cuesta recorrer una distancia determinada y usando los valores medios de las magnitudes, calcularemos la viscosidad de la glicerina y para que valor de temperatura tiene  el valor que hemos calculado.

MEDIDAS:

t1

!

49,47(s)

!

v1

!

0,0121(m/s)

t2

!

50,26(s)

!

v2

!

0,0119(m/s)

t3

!

59,52(s)

!

v3

!

0,0101(m/s)

t4

!

49,02(s)

!

v4

!

0,0122(m/s)

t5

!

48,43(s)

!

v5

!

0,0123(m/s)

Vlim = 0,01172

 = 7,89 g/cm^3

" = 2mm

CÁLCULOS:

 =2r ^2 g ( - )/9 vlim !  = 0,08167577 ! 23,4 ºC

PRÁCTICA 2 (2ª PARTE)

ESTUDIO DE LA BOMBA DE IMPULSIÓN DE AGUA

OBJETIVO:

Obtener las curvas características de la bomba que impulsa el agua en la instalación que se nos proporciona.

FUNDAMENTO FISÍCO: (Procedimiento)

La instalación consta de una bomba que impulsa el agua, la cual se abre mediante una llave o válvula que se regula mediante un caudalímetro. La bomba está enchufada a la corriente de 220 V y el agua se recoge en un departamento. La intensidad la medimos en un amperímetro y la presión en un manómetro.

La potencia total que se invierte en mover el fluido se puede calcular como:

Pm = p · Q Q = V / t

Donde Q es el caudal (volumen de líquido que atraviesa cualquier sección completa del circuito en unidad de tiempo).

De la comparación entre los valores de potencia obtenidos y la potencia eléctrica consumida por el motor dela bomba se puede calcular el rendimiento de transferencia de energía mecánica entre el motor y la bomba.

Medidas:

Caudal (l/min)

I (A)

P ent (mb)

P sal (bar)

0

3,12

10

3,5

10

3,17

7

3,2

20

3,39

5

3

30

3,57

-5

2,7

40

3,64

-5

2,5

50

3,70

-20

2

60

3,82

-25

1,8

Caudal(l/min)

Pot=IV(W)

P ent(Pas)

P sal(Pas)

Q (m^3/s)

Eb(J/m^3)

Eb(J/s)

R=Wpro/Wgas

0

686,4

10^9

3,5·10^5

0

3,5·10^5

0

0

10

697,4

7·10^8

3,2·10^5

1,66·10^-4

3,2·10^5

53,184

7,62%

20

745,8

5·10^8

3·10^5

3,3·10^-4

3·10^5

99

13,27%

30

785,4

-5·10^8

2,7·10^5

4,99·10^-4

2,7·10^5

134,946

17,18%

40

800,8

-10·10^8

2,5·10^5

6,66·10^-4

2,5·10^5

166,5

20,79%

50

814

-20·10^8

2·10^5

8,28·10^-4

2·10^5

165,6

20,34%

60

840,4

-25·10^8

1,8·10^5

9,96·10^-4

1,8·10^5

179,28

21,33%

CÁLCULOS:

Ecuación de Bernouilli:

ENTRADA SALIDA

( P1 +  g Z1 + ½  V1^2 ) = (P2 +  g Z2 + ½  V2^2)

Rendimiento:

 = W prod / W gast

!

Wgast=Pot=I·V

PRÁCTICA 3 (1ª PARTE)

CÁLCULO DEL EQUIVALENTE EN AGUA DE UN CALORÍMETRO

OBJETIVO:

Determinar el equivalente en agua de un calorímetro.

FUNDAMENTO FÍSICO: (Procedimiento)

Un calorímetro es un dispositivo que tiene capacidad calorífica, interaccionando térmicamente con las masas absorbiendo o cediendo calor. El equivalente en agua es la masa de agua que absorbería la misma cantidad de calor que el calorímetro para una misma variación de temperatura. Para calcular el equivalente en agua en un calorímetro en esta práctica usaremos el método de las mezclas (el calorímetro contiene una masa de agua fría mf y ambos están en equilibrio a temperatura tf; al introducir una masa de agua caliente mc a temperatura tc se establece un flujo de calor en las zonas de mayor temperatura hacia las de menor).

mc · c (tc-t) = mf · c (t-tf) + meq · c(t-tf)

Siendo c el calor específico del agua (1cal/g ºC); conocidos todos los datos ya sólo nos queda despejar meq.

MEDIDAS:

Peso del calorímetro (vacío)= 537 g.

Peso del calorímetro (lleno hasta la mitad)= 799 g.

Peso del calorímetro (lleno de agua mezclada)= 1110 g.

Temperatura final = 22 ºC.

Temperatura foco caliente = 100 ºC.

Temperatura de equilibrio = 60 ºC.

CÁLCULOS:

Sustituimos los valores en la expresión dada:

mc · c (tc-t) = mf · c (t-tf) + meq · c (t-tf)

311 g · 1 cal/g ºC (100-60) ºC = 262 g · 1 cal/g ºC (60-22) ºC + meq · 1 cal/g ºC (60-22) ºC

!

meq = 65,36g.

Tenemos que tener en cuenta que el calorímetro tiene 65,36 g de agua que habrá que añadir, es el equivalente en agua del calorímetro.

PRÁCTICA 3 (2ª PARTE)

COMPROBACIÓN DE LA LEY DE JOULE

OBJETIVO:

Calcular el equivalente entre julio y caloría.

FUNDAMENTO FÍSICO:

Vamos a calcular la equivalencia entre julio y caloría y para ello lo haremos de dos maneras diferentes, teniendo en cuenta la masa del calorímetro y sin tenerla en cuenta. Utilizaremos las expresiones de la energía y calor intercambiado:

E = I^2·R ·t = V·I·t ! julios

Q = ma·c (tf-ti) ! calorías

MEDIDAS:

Peso del calorímetro (vacío) = 537 g.

Peso del calorímetro (lleno hasta cubrir la resistencia) = 938 g.

ma = (938-537)g = 401 g.

Temperatura inicial = 23 ºC.

Temperatura final = 33 ºC.

Tiempo = 8 minutos 37 segundos = 517 segundos.

V = 12 V.

I = 3 A.

CÁLCULOS:

Para llevar a cabo esta práctica tenemos que tener en cuenta que:

Energía suministrada (julios) = Calor absorbido (calorías)

* Con la masa del calorímetro:

E = I^2·R·t = V·I·t ! E = 12·3·517 = 18612 julios.

Q = ma·c(tf-ti) ! Q = (401+65,36)·1(33-23) = 4663,6 cal.

J = (V·I·t)/(ma·c(tf-ti) julio/cal = 18612/4663,6 = 3,99 J/cal.

* Sin la masa del calorímetro:

E = I^2·R·t = V·I·t ! E = 12·3·517 = 18612 julios.

Q = ma·c(tf-ti) ! Q = 401·1·10 = 4010 cal.

J = (V·I·t)/(ma·c(tf-ti) julio/cal = 18612/4010 = 4,64 J/cal.

PRÁCTICA 3 (3ª PARTE)

CÁLCULO DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN CUERPO

OBJETIVO:

Calcular el calor específico de metales, en este caso del latón.

FUNDAMENTO FÍSICO: (Procedimiento)

El calor específico de una sustancia lo definimos como la cantidad de calor que hay que suministrarle por unidad de masa para que aumente su temperatura en un grado.

C = Q / m·t (cal/g ºC)

Por lo tanto, el calor absorbido por el cuerpo Q = m·c·t

El calor que cede un cuerpo es igual al calor que absorbe el agua fría:

mc·c(tc-t) = mf·c agua (t-tf)

MEDIDAS:

Peso del calorímetro (vacío) = 537 g.

Peso del calorímetro (con agua del grifo) = 830 g.

mf = (830-537)g = 293 g.

tf = 23 ºC.

mc = 200 g.

t = 27 ºC.

CÁLCULOS:

Hallamos c (calor específico del latón):

1º) Sin tener en cuenta la masa del calorímetro:

mc·c(tc-t) = mf·c agua(t-tf)

200g·c(100-27)ºC = 293g·1cal/g ºC(27-23)ºC ! c = 0,080 cal/g ºC.

2º) Teniendo en cuenta la masa del calorímetro:

mc·c(tc-t) = mf·c agua(t-tf)

200g·c(100-27)ºC = (293+65,36)g·1cal/gºC(27-23)ºC! c = 0,098 cal/g ºC.

PRÁCTICA 4 (1ªPARTE)

COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL

OBJETIVO:

Determinar el coeficiente de dilatación lineal del latón.

FUNDAMENTO FÍSICO:(Procedimiento)

Cuando aumentamos la temperatura de un cuerpo éste se dilata. Cuando el cuerpo tiene forma de varilla, el aumento de longitud está relacionado con la variación de temperatura de la forma,

L/L = T

donde  es el coeficiente de dilatación lineal.

MEDIDAS:

Lo = 520 mm.

to = 24,2 ºC.

t1=29.2 ºC

!

520,05 mm

t2=34,2 ºC

!

520,1 mm

t3=39,2 ºC

!

520,14 mm

t4=44,2 ºC

!

520,18 mm

t5=49,2 ºC

!

520,23 mm

t6=54,2 ºC

!

520,27 mm

t7=59,2 ºC

!

520,31 mm

t8=64,2 ºC

!

520,35 mm

t9=69,2 ºC

!

520,40 mm

t10=74,2 ºC

!

520,44 mm

PRÁCTICA 4 (2ª PARTE)

TRANSMISÓN DE CALOR POR CONDUCCIÓN

OBJETIVO:

Estudiar la conducción hallando la conductividad térmica ().

FUNDAMENTO FÍSICO: (Procedimiento)

La conducción de calor es debida a la diferencia de temperaturas existente entre dos sistemas o partes del mismo. Para el caso particular de placa plana, homogénea, isótropa, de espesor finito y de coeficiente de conductividad constante, en régimen estacionario el flujo de calor que atraviesa es:

Q / S =  · (t1-t2) /e !  = eQ / S(t1-t2)

 = calor que pasa en la unidad de tiempo a través de la unidad de área de una muestra de extensión infinita y caras plano-paralelas y de espesor unidad cuando t entre los planos es de 1 ºC.

La expresión que acabamos de observar puede ponerse en función de otro coeficiente, llamado resistencia térmica:

R = e/ ! Q/s = (t1-t2)/R

MEDIDAS:

e = 5 mm. Pot (W) = 2,4 J/s

t ref = 35,2 ºC.

30 t int = 33,0 ºC.

t ext = 29,0 ºC.

! 20!

 = (0,005 · 2,4)/[0,06·(33-29)]= 0,05 W/m ºC

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