Midiendo Conductividad Térmica (Fiz0211)

Midiendo Conductividad Térmica

Objetivo

Determinar el coeficiente de conductividad térmica para diferentes materiales

Materiales

- Aparato de Conductividad Térmica PASCO

- Matraz con agua

- Mechero

- Manguera

-Cronómetro

Introducción

La diferencia de temperaturas en distintos puntos de un sistema genera los procesos de intercambio de calor, que pueden ser debidos a tres mecanismos: conducción, convección y radiación.

En esta experiencia vamos a estudiar el mecanismo de conducción en sólidos. La base matemática del proceso de conducción es la Ley de Fourier, cuyo enunciado, para sistemas unidimensionales de tamaño finito, como es el caso de una lámina de espesor h que se pueda considerar infinitamente extensa es el siguiente:

Si este material en forma de lámina plana (fig 1) se encuentra en contacto con dos focos térmicos a diferente temperatura (Caliente y frío) y alcanza un estado estacionario, la cantidad de calor por unidad de tiempo y superficie que atraviesa la placa será proporcional a la diferencia de temperaturas e inversamente proporcional a su espesor, dicha constante de proporcionalidad se denomina conductividad térmica, $k$ , del material.

Luego,

$\frac{\Delta Q}{\Delta t} = kA\frac{\Delta T}{h}$

donde,

$\Delta Q$ : es el calor intercambiado en el tiempo $\Delta t$ , entre el foco frío y el caliente.

$\Delta T$ : diferencia de temperatura entre los focos frío y caliente

$k$ : conductividad térmica

$A$ : área de la sección transversal del bloque de hielo

$H$ : espesor de la muestra.

La técnica de medida de la conductividad térmica, que emplearemos en esta experiencia, se basa en la determinación experimental del flujo de calor que atraviesa la muestra situada en el soporte de experimentación, que mantiene al foco térmico $T$ a la temperatura constante de ebullición del agua haciendo circular vapor a través de él, y el foco frío a la temperatura de fusión del agua mediante un bloque de hielo en fusión que se sitúa en contacto térmico con la otra cara de la muestra $T_f$ .

Además habrá que determinar el área de contacto entre el hielo y la muestra. Por lo tanto mediremos las siguientes variables:

- Espesor de la muestra , $h$ (con un pie de metro)

- Superficie de contacto entre el hielo y la muestra, $A$ . Se hallará a partir de la medida del diámetro del bloque al inicio y al final de la experiencia para reducir el error cometido.

- El flujo de calor $\Delta Q/\Delta t$ se determinará midiendo la masa de agua fundida en un intervalo de tiempo determinado, realizándose esta medida bajo dos condiciones diferentes ; cuando el foco caliente está a la $T°$ ambiente y cuando está a la $T°$ de ebullición.

Procedimiento

1.- Ponga el envase con hielo bajo agua tibia para soltarlo del molde .

NOTA: No fuerce el hielo para sacarlo del molde.

2.- Mida y registre h, que corresponde al espesor de uno de los materiales de muestra.

3.- Ubique el material de prueba sobre la cámara. Ver figura 2.

4.- Mida el diámetro del bloque de hielo. Registre este valor como d1 . Ubique el hielo en la parte superior de la muestra, apoyando la parte mas plana y observando que el contacto térmico sea correcto, proteger el bloque de hielo con su molde y esperar hasta que se empiece a fundir.

5.- Mantenga el hielo por varios minutos hasta que comience la fusión y tenga total contacto con la muestra. (No comience tomando datos antes que el hielo comience a derretirse, porque pueden haber temperaturas mas bajas que $0°C$ )

6.- En un recipiente de masa mf conocida. Recoja el agua producida por el deshielo durante 10 minutos ( $t_a$ )