sT R - FCEIA

Ley de Stefan-Boltzmann (Baja
temperatura)
Objetivo
Determinar el coeficiente de expansión lineal para diferentes materiales..
Materiales
•
•
•
•
•
sensor de radiación
ohmetro
voltímetro (0-12 V)
cubo de radiación térmica
Introducción
En el experimento anterior, se investigó la ley de Stefan-Boltzmann para altas
temperaturas alcanzadas en el filamento incandescente. A esas altas temperaturas
(1000 a 3000 K aprox.) la temperatura ambienta es bastante pequeña y puede ser
despreciable en el análisis.
En este experimento se estudiará la ley de Stefan-Boltzmann a muy bajas
temperaturas usando el cubo de radiación térmica. A esas bajas temperaturas la
temperatura ambiente no puede ser ignorada.
Si el detector en el sensor de radiación opera a la temperatura del cero absoluto, se
producirá un voltaje directamente proporcional a la intensidad de la radiación que
incide. sin embargo, el detector no está en la temperatura del cero absoluto así que
también está irradiando energía térmica. Según la ley de Stefan-Boltzmann, irradia a
una razón:
Rdet = sTdet4
El voltaje producido por el sensor es proporcional a la radiación incidente en el
detector menos la radiación emitida. Matemáticamente el sensor de voltaje es
proporcional a
Rnet = Rrad − Rdet = s (T 4 − Tdet4 )
Proteja el sensor de radiación del cubo de radiación cuando no esté midiendo. En ese
momento Tdet estará muy cerca de la temperatura ambiente.
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Procedimiento:
1. Arme el equipo como se muestra en la figura 1. el sensor de radiación térmica
deberá ser apuntado directamente al centro de una de las superficies del cubo
que mejor radian (la superficie blanca o negra). La cara del sensor debe estar
paralela con la superficie del cubo y a 3 a 4 cm de distancia.
Figura 1: Montaje Experimental
2. Con el tubo de radiación térmica apagado mida Ramb, la resistencia del
termistor a temperatura ambiente. Registre.
3.- Proteja el sensor del cubo usando una pantalla de tal forma que el lado
reflectante de hacia el cubo.
4.- Encienda el cubo de radiación y ubique el switch en 10
5.- Cuando la resistencia del termistor indica que la temperatura está cerca de
12C sobre la temperatura ambiente, apague la potencia,.La temperatura
seguirá aumentando lentamente. Lea y registre la lectura del ohmetro,R, y Rad
que corresponde a la lectura del voltímetro. Las lecturas deben ser tomadas lo
mas simultáneamente posible. Registre los valores en una tabla.
IMPORTANTE: Haga cada lectura rápidamente, retire el protector de
calor(pantalla) solamente mientras realiza las medidas. Augúrese que
la posición del sensor con respecto al cubo sea la misma para todas
las mediciones.
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6.- Reemplace el protector de calor, y aumente la potencia del cubo a 10. Cuando
la temperatura se ha elevados unos 12 a 15 C mas, repita las mediciones del paso
5. Repita este procedimiento cada intervalos de 12-15C, hasta la máxima
temperatura que el tubo alcance.
Datos y Cálculos
Temperatura de la sala:
Ramb =------------Ω
Tamb = ------------C =------------K
Tabla 1
R
Datos
Rad
T
Tk
Calculos
Tk4
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Tk4 − Tamb
1.- Usando la tabla ubicada en la base del Cubo de Radiación Térmica, determine
TC, la temperatura en grados Celsius correspondiente a cada medida de la resistencia
del termistor. Para cada valor de TC determine Tk, el valor correspondiente en grados
kelvin. Registre los valores en la tabla. De igual forma determine la temperatura de la
sala (ambiental), Tamb.
2.- Calcule Tk4 para cada valor de Tk. Registre los valores
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3.- Calcule Tk4 − Tamb
para cada valor de Tk . Registre los resultados.
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4.- Construya un gráfico Rad vs Tk4 − Tamb
.
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5.- ¿Qué indica el gráfico acerca de la ley de Stefan-Boltzmann a bajas
temperaturas?.
6.- ¿Es su gráfico una línea recta?. Discuta.
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