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• Definición de Expansión Térmica
• Ejemplos de Expansión Térmica
• Aplicaciones
• Mucho más

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Definición de Expansión Térmica

La mayoría de las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas se expanden al calentarse y se contraen al enfriarse. Sus dilataciones y contracciones térmicas suelen ser pequeñas y no son perceptibles. Sin embargo, estas dilataciones y contracciones son importantes en nuestra vida cotidiana.

La energía cinética de las moléculas de un objeto depende de su temperatura. Las moléculas de un sólido vibran con mayor amplitud a alta temperatura que a baja. Así, al calentarse, la amplitud de vibración de los átomos o moléculas de un objeto aumenta. Éstas se alejan unas de otras a medida que aumenta la amplitud de las vibraciones. La expansión térmica da lugar a un aumento de la longitud, la anchura y el espesor de una sustancia.

Veamos ahora el vídeo :

¿Cuál es la diferencia entre la expansión térmica lineal y la expansión térmica volumétrica?

Expansión térmica lineal en los sólidos

Se ha observado que los sólidos se expanden al calentarse y su expansión es casi uniforme en un amplio rango de temperaturas. Consideremos una varilla metálica de longitud L° a una determinada temperatura T°. Dejemos que su longitud al calentarse a una temperatura T se convierta en L. Así

El aumento de la longitud de la varilla = ΔL = L – L0

El aumento de la temperatura = ΔT = T – T°

Se encuentra que el cambio en la longitud ΔL del sólido es directamente proporcional a su longitud original L°, y al cambio en la temperatura Δ T. Es decir

ΔL ∝ L0ΔT

ΔL =αL0ΔT …….(1)

L – L0=αL0ΔT

o L =L0(1+αΔT) …..(2)

Donde α se llama el coeficiente de expansión térmica lineal de la sustancia. De la ecuación (1) obtenemos

α = ΔL/L°ΔT

Coeficiente de dilatación lineal

El coeficiente de dilatación lineal α de una sustancia es la fracción de aumento de la longitud por aumento de kelvin de la temperatura.

Ver también: Escalas de temperatura

Fórmula del coeficiente de dilatación lineal

A continuación se da la tabla de dilatación térmica lineal de algunos materiales:

Expansión térmica volumétrica

El volumen de un sólido también cambia con el cambio de temperatura y se denomina expansión térmica volumétrica o expansión térmica cúbica. Considere un volumen inicial del sólido de V°. Al calentar, el sólido a una temperatura T, que su volumen se convierte en V, entonces

Cambio en el volumen de un sólido ΔV = V – V°

cambio en la temperatura ΔT = T – T°

Al igual que la expansión lineal, el cambio en el volumen ΔV se encuentra para ser proporcional a su volumen original V°, y el cambio en la temperatura ΔT. Así

ΔV ∝ V° ΔT

ΔV=βV° ΔT ……(3)

V – V°=βV° ΔT

V = V°(1 + βΔT)

Donde β es el coeficiente de temperatura de expansión del volumen. De la ecuación (3) obtenemos

β = ΔV/V° Δ

Coeficiente de expansión de volumen

El coeficiente de temperatura de expansión de volumen β es el cambio fraccionario de su volumen por cambio kelvin de temperatura.

Ver también: Energía radiante

Fórmula del coeficiente de expansión de volumen

Los coeficientes de expansión lineal y de expansión de volumen están relacionados por la ecuación:

β = 3 α

Los valores de β para diferentes sustancias se dan en la tabla:

Consecuencias de la dilatación térmica

¿Por qué se dejan huecos en las vías del tren? La dilatación de los sólidos puede dañar los puentes, las vías férreas y las carreteras, ya que están sometidos constantemente a cambios de temperatura. Así que se hace una provisión durante la contracción para la expansión y contracción con la temperatura. Por ejemplo, las vías férreas se doblan en un caluroso día de verano debido a la expansión si no se dejan huecos entre las secciones.

Los puentes hechos de vigas de acero también se expanden durante el día y se contraen durante la noche. Se doblan si sus extremos están fijos. Para permitir que la viga térmica se apoye sobre rodillos en el hueco que se deja para la dilatación.

Las líneas de transmisión aéreas también reciben una cierta holgura para que puedan contraerse en invierno sin romperse.

Aplicaciones de la expansión térmica en la vida cotidiana

La expansión térmica se utiliza en nuestra vida diaria.

Termómetros

En los termómetros, la dilatación térmica se utiliza en las mediciones de temperatura.

Quitar tapas apretadas

Para abrir el tapón de una botella que está bastante apretado, se sumerge en ella agua caliente durante un minuto aproximadamente. El tapón metálico se expande y se afloja. Ahora será fácil girarlo para abrirlo.

Remachado

Para unir placas de acero con fuerza, se introducen remaches al rojo vivo por los agujeros de las placas. A continuación, se martillea el extremo de los remaches calientes. Al enfriarse, los remaches se contraen y hacen que las placas queden bien sujetas.

Fijación de llantas metálicas en ruedas de madera

Las llantas de hierro se fijan en las ruedas de madera de los carros. Las llantas de hierro se calientan. La dilatación térmica permite que se deslicen sobre la rueda de madera. Se vierte agua sobre ella para que se enfríe. La llanta se contrae y queda ajustada sobre la rueda.

Tira bimetálica

Una tira bimetálica consiste en dos tiras finas de diferentes metales como el latón y el hierro unidas. Al calentar la tira, el latón se expande más que el hierro. Esta expansión desigual provoca la flexión de la tira.

Las tiras bimetálicas se utilizan para diversos fines. Los termómetros bimetálicos se utilizan para medir la temperatura, especialmente en hornos y estufas. Las tiras bimetálicas se utilizan en los termostatos. Un termostato bimetálico se utiliza para controlar la temperatura de la bobina del calentador en una plancha eléctrica.

Termostatos

El termostato es un dispositivo regulador del calor que funciona según el principio de la expansión térmica.
Sigue con nosotros para ver aplicaciones de la dilatación:

Ejemplos de dilatación térmica

Aquí tienes algunos ejemplos de dilatación térmica en nuestra vida cotidiana.

• Grietas en la carretera cuando ésta se dilata al calentarse.
• Descargas en las líneas eléctricas.
• Las ventanas de marco metálico necesitan separadores de goma para evitar la dilatación térmica.
• Juntas de dilatación (como la unión de dos vías de tren).
• La longitud de la barra de metal se alarga al calentarse.
• Reventones de neumáticos en días calurosos cuando se llenan de aire debido a la expansión térmica.

Expansión térmica de los líquidos

Las moléculas de los líquidos son libres de moverse en todas las direcciones dentro del líquido. Al calentar un líquido, la amplitud media de vibración de sus moléculas aumenta. Las moléculas se empujan unas a otras y necesitan más espacio para ocupar. Esto explica la expansión del líquido cuando se calienta. La expansión térmica en los líquidos es mayor que en los sólidos debido a las débiles fuerzas entre sus moléculas. Por lo tanto, el coeficiente de expansión de volumen de los líquidos es mayor que el de los sólidos.

Los líquidos no tienen una forma propia definida. Un líquido siempre adquiere la forma del recipiente en el que se vierte. Por lo tanto, cuando un líquido se calienta, tanto el líquido como el recipiente sufren un cambio en su volumen. Por lo tanto, existen dos tipos de expansión térmica de volumen para el líquido.

• Expansión de volumen aparente
• Expansión de volumen real

Expansión anómala del agua

El agua al enfriarse por debajo de 4 C° comienza a expandirse hasta llegar a 0°C. Al seguir enfriando, su volumen aumenta bruscamente al transformarse en hielo a 0 C°. Cuando el hielo se enfría por debajo de 0 C°, se contrae, es decir, su volumen disminuye como el de los sólidos. Esta expansión inusual del agua se llama expansión anómala del agua.

Temas relacionados:

• Calor y temperatura
• Equilibrio térmico
• Termómetros
• Termodinámica
• Energía interna
• Convección del calor