LABORATORIO INTEGRAL 1

Practica 8: Determinación del coeficiente de conductividad térmica

Alumna: Delly Baltazar Armenta

11 diciembre 2014

INTRODUCCION

Como muchos de nosotros sabemos, los metales son los mejores materiales

resistentes al calor y los mejores conductores de la energía eléctrica.

En esta práctica tendremos como principal objetivo calcular el coeficiente de

conductividad de cierto metal, esto será de nuestra elección.

Para ello deberemos principalmente pensar cómo podremos realizar la práctica y

una vez tenida la idea, realizar el experimento.

OBJETIVO

Determinar el coeficiente de conductividad térmica (k) del bronce.

MARCO TEORICO

La conductividad térmica se refiere a la cantidad/velocidad de calor transmitida a

través de un material. La transferencia de calor se produce en mayor proporción

en los materiales con alta conductividad térmica con respecto a aquellos con baja

conductividad térmica. Los materiales con alta conductividad térmica se usan

mucho en aplicaciones de disipación térmica y los materiales con baja

conductividad térmica se usan como aislante térmico. La conductividad térmica de

los materiales depende de la temperatura. El contrario de la conductividad térmica

se denomina resistividad térmica. Los metales con una alta conductividad térmica,

por ejemplo el cobre, tienen una alta conductividad eléctrica. El calor generado en

los materiales con alta conductividad térmica es alejado rápidamente de la región

de la soldadura. En el caso de los materiales metálicos, la conductividad térmica y

la eléctrica se correlacionan de forma positiva, es decir, los materiales con una alta

conductividad eléctrica (baja resistencia eléctrica) tienen alta conductividad

térmica.

Ley de Fourier

Sea J la densidad de corriente de energía (energía por unidad de área y por

unidad de tiempo), que se establece en la barra debido a la diferencia de

temperaturas entre dos puntos de la misma. La ley de Fourier afirma que hay una

proporcionalidad entre el flujo de energía J y el gradiente de temperatura.

J=K*(∂T/∂x)

Siendo K una constante característica del material denominada conductividad

térmica.

Consideremos un elemento de la barra de longitud dx y sección S. La energía que

entra en el elemento de volumen en la unidad de tiempo es JS, y la que sale es

J’S. La energía del elemento cambia, en la unidad de tiempo, en una cantidad

igual a la diferencia entre el flujo entrante y el flujo saliente.

JS−J'S=−∂J/∂x*S dx

Esta energía, se emplea en cambiar la temperatura del elemento. La cantidad de

energía absorbida o cedida (en la unidad de tiempo) por el elemento es igual al

producto de la masa de dicho elemento por el calor específico y por la variación de

temperatura.

(ρ Sdx)*c*∂T/∂t

Igualando ambas expresiones, y teniendo en cuenta la ley de Fourier, se obtiene

la ecuación diferencial que describe la conducción térmica

∂T/∂t=α*(∂2T/∂x2)  α=K/ρ c

MATERIAL Y EQUIPO

Caja de laboratorio

2 soporte universal

4 pinzas para soporte

1 termómetro

1 vaso de precipitado

1 cronometro

1 termómetro infrarrojo

1 probeta

PROCEDIMIENTO

Montamos el equipo necesario para llevar a cabo la práctica: Los 2 soportes

universales con las 4 pinzas para soporte.

Un soporte deteniendo la secadora, y en el otro soporte colocamos un vaso

de precipitado con 25 ml de agua, y así calentamos el agua contenida en el

vaso.

De esta manera calcularemos Q: la velocidad de transferencia de calor o

flujo de calor.

Después de esto, colocamos el cilindro de bronce con aislante en el soporte

universal y encendemos la secadora, tomamos el tiempo hasta 5 minutos y

después a 10 minutos.

Se toma la temperatura de las dos caras del cilindro, tanto la que estuvo

sometida al aire caliente de la secadora, como la que estuvo al ambiente.

Realizamos dos intentos, ya que la k obtenida al primer intento no coincide

con el valor de k del bronce investigado.

ANALISIS Y RESULTADOS

INTENTO 1

Agua Bronce

Cantidad de agua= 25 ml= 0.025 kg Área del cilindro = 4.9x10-4

Tiempo de someterlo a calor = 5 min Tiempo de someterlo a calor = 5 min

Temperatura inicial = 22 °C Temperatura arriba = 29.4 °C

Temperatura final = 42 °C Temperatura abajo = 35.8 °C

Ahora calculando Q y K

Q=mCp∆T

Q= (0.025kg )(4.18 KJkg °C )(42° C−22° C )

Q=2.09KJ=2090J

q=Qs=2090 J300 s

=6.96watts

k= qA

LT2−T 1

k= 6.96watts

4.90 x10−4m20.098m

35.8°C−29.4°C

k=217.5 wattsm° c

INTENTO 2

Agua Bronce

Cantidad de agua= 0.025 kg Área del cilindro = 4.9x10-4

Tiempo de someterlo a calor = 5 min Tiempo de someterlo a calor = 5 min

Temperatura inicial= 22°C Temperatura arriba = 27°C

Temperatura final = 30 °C Temperatura abajo = 31 °C

Ahora calculamos Q y k

Q=mCp∆T

Q= (0.025kg )(4.18 KJkg °C )(30 ° C−22° C )

Q=0.836KJ=836 J

q=Qs=836 J300 s

=2.78watts

k= qA

LT2−T 1

k= 2.78watts

4.90 x10−4m20.098m

31°C−27°C

k=139 wattsm° c

K del bronce teórico = Rango (116 -186)

CONCLUSION

Después de realizar la práctica, y hacer dos intentos pudimos obtener

experimentalmente el coeficiente de conductividad térmica (k) y estaba dentro del

rango que investigamos, así nos dimos cuenta que es un muy buen metal para

conducir el calor.

REFERENCIAS

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_//transporte/cond_calor/conduccion/

conduccionhtml

http://spanish.miyachiamerica.com/glossary/glossthermalconductivity