Dilatacióntérmico es un fenómeno físico que surge de un aumento en la temperatura de un cuerpo. Cuando un cuerpo se expone a alguna fuente de calor, tu temperatura puede sufrir variaciones, aumentando la agitación de las moléculas, que oscilan alrededor de un espacio mayor.
Esta variación microscópica en la vibración de las moléculas se puede ver a escala macroscópica, como cuando una barra de hierro permanece un poco mas grande como resultado del calentamiento.
dilatación lineal
Dilataciónlineal de sólidos es el fenómeno físico que ocurre cuando los cuerpos de forma lineal que están en estado sólido, como alambres, cables, agujas, barras, tuberías, sufren una variación de temperatura. Para calcular la magnitud de la dilatación lineal, utilizamos el coeficienteendilataciónlineal de material.
Ejemplos de expansión térmica lineal
Deformación de las vías del tren debido a la gran amplitud térmica durante los ciclos diurno y nocturno. Debido a este efecto, se utiliza la junta de dilatación, un pequeño espacio entre dos barras consecutivas.
Los cables de cobre utilizados en la transmisión de corriente eléctrica en los polos son siempre mayores que la distancia entre los polos. De no ser así, en días fríos estos conductores sufrirían variaciones negativas en su longitud, pudiendo sufrir roturas.
dilatación superficial
Dilataciónpoco profundo de sólidos es la variación en el área de un cuerpo que se encuentra en estado sólido debido a un aumento en su temperatura. El cálculo de la expansión de la superficie de un sólido depende de su coeficienteendilataciónpoco profundo.
Ejemplos de expansión térmica superficial
Entre las tablas de baldosas, utilizadas en pisos residenciales y aceras, queda un pequeño espacio libre, que está ocupado por la lechada, un material poroso capaz de absorber parte de la expansión que sufren las piezas cerámica.
Es común ver mecánicos calentando una tuerca adherida a un perno para quitarlo, ya que el calentamiento hace que la tuerca se dilate, facilitando su extracción.
dilatación volumétrica
dilatación volumétricaes la expansión del volumen de un cuerpo al aumentar su temperatura. La expansión volumétrica se calcula a partir de la coeficienteendilataciónvolumétrico del cuerpo.
Ejemplos de expansión térmica volumétrica
Los tornillos utilizados en los fuselajes de aviones se pueden colocar a temperaturas muy bajas antes de ser roscados. Después del roscado, el aumento de temperatura del tornillo amplía sus dimensiones, por lo que es casi imposible retirarlo posteriormente.
Coeficiente de expansión térmica
Si bien algunos materiales deben sufrir grandes variaciones de temperatura para que su expansión se convierta en otros necesitan que su temperatura varíe unos pocos grados para que las diferencias en sus dimensiones.
La propiedad física que determina la facilidad o dificultad de que el material cambie sus dimensiones por una variación de temperatura se llama coeficiente de expansión térmica.
Con el aumento de temperatura, las moléculas de un cuerpo comienzan a ocupar un espacio mayor.
veaademás: Calorimetría
Cada material tiene su propio coeficiente de expansión térmica, que puede ser de tres tipos distintos: coeficiente de dilataciónlineal, poco profundo y volumétrico. Para calcular la dilatación que sufre un cuerpo, utilizamos solo uno de estos coeficientes, determinado según la forma que presenta el cuerpo.
A pesar de sufrir dilatación superficial y volumétrica, los cuerpos alargados que tienen simetría lineal, como cables y alambres, están sujetos a una expansión en su longitud mucho mayor que la expansión en su área o volumen.
Los coeficientes de expansión lineal, poco profundo y volumétrico se denotan, respectivamente, por las letras griegas α, β, y γ, y su unidad de medida es ºC-1.
El efecto de la expansión térmica de los sólidos es de gran importancia comercial y tecnológica. La construcción de edificios, por ejemplo, utiliza materiales que a menudo están expuestos a variaciones de temperatura grandes y, a veces, bruscas. En este caso, es fundamental conocer los coeficientes de dilatación de cada material utilizado en la construcción civil para evitar la aparición de fisuras y otros defectos estructurales.
Relación entre coeficientes de expansión de sólidos
Los cuerpos con diferentes simetrías hechos del mismo material experimentan diferentes formas de expansión. Una barra de hierro, por ejemplo, experimenta una expansión lineal, mientras que una hoja del mismo material experimenta una expansión superficial. Esto se debe a que el coeficiente de expansión de la superficie es el doble del coeficiente de expansión. lineal, mientras que el coeficiente de expansión volumétrica es tres veces mayor que el coeficiente de expansión lineal. Mirar:
No pares ahora... Hay más después de la publicidad;)
α – coeficiente de expansión lineal
β – coeficiente de expansión de la superficie
γ – coeficiente de expansión volumétrica
Dilatación térmica en puentes
Los efectos de la expansión térmica son especialmente importantes en construcciones que no pueden deformar ni agrietar su estructura, como los puentes. Por eso, en este tipo de construcciones se utilizan varias juntas de dilatación.
La siguiente imagen muestra la junta de dilatación de un puente. Mirar:
Las juntas de expansión reducen las posibilidades de agrietamiento como resultado de la expansión del hormigón en los puentes.
Fórmulas de expansión térmica
Consulte a continuación las fórmulas utilizadas para calcular las expansiones lineales, superficiales y volumétricas de sólidos.
Fórmula de dilatación lineal
La fórmula de dilatación lineal se puede presentar de dos formas: una para calcular el tamaño corporal final y otra para calcular la variación de longitud sufrida durante la dilatación:
L - longitud final
L0 - longitud inicial
ΔT - variación de temperatura
ΔL - variación de longitud
Fórmula de dilatación superficial
Al igual que la fórmula de expansión lineal, la fórmula de expansión de superficie también se puede escribir de dos formas diferentes:
s - zona final
s0 - área inicial
ΔT - variación de temperatura
S - variación de área
Fórmula de expansión volumétrica
Finalmente, tenemos las expresiones que nos permiten calcular el volumen final de un cuerpo o su variación volumétrica:
V - Volumen final
V0 - volumen inicial
ΔT - variación de temperatura
ΔV - variación de volumen
Resumen
Cuando se calienta un sólido, sus moléculas comienzan a vibrar más ampliamente, ocupando más espacio. Dependiendo del coeficiente de calentamiento y expansión del material, el efecto se puede observar a simple vista.
Los coeficientes de expansión superficial y volumétrica de un mismo material homogéneo (hecho de una sola sustancia) son, respectivamente, el doble y el triple del coeficiente de expansión lineal.
Todo cuerpo sufre los tres tipos de dilatación simultáneamente, sin embargo, uno de ellos es más significativo que los otros, ya que es más privilegiado por la forma del cuerpo.
Ejercicios de expansión térmica.
Una barra de hierro de 2.0 m de largo cuyo coeficiente de expansión lineal es α = 1.2.10-5 ° C-1 está a temperatura ambiente (25ºC). Este cuerpo se expone luego a una fuente de calor, alcanzando, al final de su calentamiento, una temperatura de 100 ° C.
Determinar:
a) la expansión que sufre la barra.
b) la longitud final de la barra.
c) los coeficientes de expansión superficial y volumétrica del material del que está hecha esta barra.
Resolución
a) Para calcular la expansión que sufre la barra, debemos recordar que su forma es lineal, por lo que esta es la forma de expansión más importante que sufre. Usando la fórmula de dilatación lineal, tendremos:
Según el resultado anterior, esta barra sufriría una expansión de 1,8 mm en su longitud.
b) La longitud final de la barra se puede encontrar fácilmente, ya que conocemos la expansión que sufre. Su longitud final será 2.0018 metros (2 metros y 1,8 mm)
c) Los coeficientes de expansión superficial y volumétrica son múltiplos del coeficiente de expansión lineal. Sus valores son, respectivamente, 2,4.10-5 ° C-1y 3,6.10-5 ° C-1.
Por mí. Rafael Helerbrock
Determine el módulo del coeficiente de expansión de la superficie de una viga de acero homogénea de 5.0 m de largo que, cuando se calienta a 50 ° C, tiene una expansión lineal de 5.10.-3 metro.
Saber que un material sólido y homogéneo tiene un coeficiente de expansión volumétrica constante igual a 1.2.10-5 ° C-1, determine el coeficiente de expansión superficial de este material y verifique la alternativa correcta:
