Conductividad Térmica Objetivos - Determinar el coeficiente de conductividad térmica para un sólido. - Comparar el coeficiente de conductividad térmica de dos materiales distintos..
Introducción La diferencia de temperatura entre distintos puntos de un medio genera procesos de intercambio de calor. Ellos pueden ser debidos a tres mecanismos: conducción, convección y radiación. En esta eperiencia se estudiar! el mecanismo de conducción térmica. La capacidad de conducir calor es una propiedad "ue d epende de la estructura interna de cada sustancia. En el proceso de conducción térmica, la transferencia de calor puede ser interpretada en la escala atómica como un intercambio de energ#a entre las part#culas microscópicas $moléculas, !tomos ó electrones libres%, en el cual las part#culas m!s energéticas entregan energ#a a las menos energéticas a través de colisiones. Es posible determinar la conductividad térmica de una sustancia particular, mediante mediante la medición del tiempo de transferencia de una cantidad de calor conocida "ue pasa a través de una l!mina constituida del material en cuestión. El propósito del eperimento a"u# propuesto es determinar el coeficiente de conductividad térmica para dos materiales distintos, $figura &%.
Teoría 'i una l!mina de material se encuentra en contacto con dos focos térmicos a diferentes temperaturas $fig (%, en estado estacionario la cantidad de calor por unidad de tiempo y superficie "ue atraviesa la placa ser! proporcional a la diferencia de temperaturas e inversamente proporcional a su espesor $ %. El flu)o de calor $ % ir! desde la región de mayor temperatura $ % *acia la de menor temperatura $ %. La ecuación "ue describe este proceso, es la llamada Ley de +ourier y es mostrada en la figura (. En esta ecuación la constante de proporcionalidad $ % se denomina constante de conductividad térmica del material.
En la tabla &, consignamos algunos valores de la constante de conductividad térmica
para
diversas sustancias. En el caso de los gases esta constante fue medida a C, y en las dem!s sustancia a temperatura ambiente.
Descripción del Experimento ara medir la constante de conductividad térmica utiliaremos el aparato mostrado en la figura /. Este consiste esencialmente en una c!mara a islada de aluminio, la cual tiene un orificio cuadrado en el cual se posiciona la l!mina del material "ue se desea medir. Esta c!mara se utilia como foco térmico de alta temperatura $ %, ya "ue a través de ella se *ace circular vapor de agua. 'obre el material se ubica un troo cil#ndrico de *ielo el cual cumple la función de foco térmico de ba)a temperatura $ %, y adem!s es utiliado para determinar la cantidad de calor "ue fluye a través del material. or lo tanto, midiendo la cantidad de *ielo "ue se funde en un determinado intervalo de tiempo $ %, podemos conocer la cantidad de calor "ue fluyó desde el depósito caliente *acia el *ielo en ese mismo intervalo de tiempo.
ara llevar a cabo al eperimento ser! necesario medir o determinar las siguientes variables:
Espesor $ % de la muestra. ara ello es recomendable utiliar un pie de metro disponible en el laboratorio.
El !rea de contacto entre el *ielo y la muestra $0%. 'e determinar! a partir de la medida del di!metro del blo"ue de *ielo al inicio y al final de la eperiencia, con el propósito de reducir el error cometido al considerar un !rea de transferencia constante.
El flu)o de calor $
% se determinar! midiendo la masa de *ielo derretido en un
intervalo de tiempo determinado $
%. Ello se realiar! ba)o dos condiciones diferentes.
rimero con el foco caliente estando a temperatura ambiente, esto es, sin conectar la manguera con vapor a la c!mara. Ello con el propósito de medir cuanto *ielo se derrite por el efecto de la entrega de calor desde el ambiente. Luego se realiar! la misma medición, pero con el foco caliente, esto es, cuando est! conectada la manguera con vapor. or lo tanto en el 1ltimo caso la temperatura de la c!mara tendr! un valor cercano a la temperatura de ebullición del agua a presión atmosférica.
2. 3edición de la conductividad térmica del material Equipamiento Requerido - 0parato de Conductividad Térmica PASCO - & calentador eléctrico de - 3atra con agua *irviendo - 3anguera - Cronómetro - & termómetro de mercurio - ( vasos precipitados de - & guante térmico - 4alana del laboratorio
Precaución! La supericie del calentador puede llear a temperaturas cercanas a los "#$ %&' por ello debe tener muc(a precaución al manipular este calentador) Recuerde utili*ar siempre el uante t+rmico para manipular el matra* cuando est+ a una temperatura elevada)
Procedimiento
&. onga el envase con *ielo ba)o agua tibia para soltar el *ielo del molde. 56T0: 5o fuerce el molde para sacar el *ielo. (. 3ida y registre como * el espesor de la l!mina del material "ue desea medir. /. 7bi"ue el material de prueba sobre la c!mara de vapor. 8er figura /. 9. 3ida el di!metro del blo"ue de *ielo y registre este valor como
. 7bi"ue el *ielo en la
parte superior de la l!mina, apoyando la parte m!s plana y observando "ue el contacto térmico sea adecuado. roteger el blo"ue de *ielo con su molde y esperar *asta "ue se empiece a fundir. . 3antenga el *ielo por varios minutos *asta "ue comience la fusión y tenga total contacto con la muestra. $5o comience tomando datos antes "ue el *ielo comience a derretirse, por"ue alunas onas de *ielo pueden estar a temperatura menor "ue ;C% <. En un recipiente de masa
conocida. =eco)a el agua producida por el des*ielo
durante &; minutos $ % y mida la masa del agua "ue cae al recipiente ba)o estas condiciones y registre su valor como
.
>. Conecte la fuente de vapor y espere *asta "ue comience a salir vapor por el desag?e del foco caliente. oner un recipiente para recoger el agua de condensación, tal como se muestra en la figura 9. @. 7na ve alcanado el estado estacionario vac#e el recipiente "ue se utilia para colectar el agua del derretimiento y mida el tiempo durante el cual va a recoger agua en esta nueva condición, registre este valor como
$es recomendable un tiempo de &; min%.
7na ve terminada la eperiencia mida la masa de agua fundida , y nuevamente el di!metro del blo"ue de *ielo
.
A. 0note todos los resultados en una tabla. &;. De los datos obtenidos calcule la conductividad térmica del material y compare este valor con el valor aceptado $tabla &%. &&. =ealice el eperimento para dos materiales distintos. 5ote "ue si utilia un termopanel este est! constituido de tres capas de material, dos de vidrio y una intermedia de aire. &(. Comente sus resultados y d iscuta posibles fuentes de error.