Dilatación de los cuerpo

La mayoría de los cuerpos se dilatan cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían.

Al calentar un cuerpo, las moléculas se mueven más rápido, chocan fuertemente y se separan entre ellas.

Para explicar este comportamiento, podríamos imaginar una pista de baile, en ella pueden caber muchas personas si se encuentran muy juntas y no se mueven, pero si ahora bailan despacio, entonces, ocupan más campo y chocan entre ellas; si bailan más rápidamente ocuparán aún mayor espacio y los choques serán más frecuentes.

Con las moléculas ocurre algo parecido, entre más rápido se muevan más espacio ocuparán y más choques habrá. La semejanza entre el baile y el movimiento molecular puede utilizarse para describir lo que se denomina la dilatación térmica de los cuerpos, pues, la transmisión de energía térmica da lugar a que la materia se expanda.

Esta semejanza podría servir para explicar el comportamiento de los sólidos, de los líquidos y de los gases, los cuales se dilatan al calentarse y una gran mayoría de ellos, que se contraen al enfriarse. En este último caso, las moléculas se mueven más despacio y se juntan debido a su mutua atracción.

Los constructores de casas, puentes, edificios y carreteras deben tomar en cuenta los efectos de la dilatación térmica.

Por ejemplo, cuando se construye un piso de madera, se deja espacio entre los extremos y las paredes de la habitación.

El espacio se deja para prevenir que la dilatación térmica pueda ocasionar torceduras o fracturas en la madera del piso; este espacio generalmente no se nota porque está cubierto por el rodapié.

En la construcción de aceras, se suelen dejar secciones divididas por hendiduras que generalmente contienen una masilla flexible hecha a base de un material blando, cuyo propósito es permitir la dilatación térmica.

GLOSARIO:

Dilatar: Extender, alargar o hacer mayor una cosa, o que ocupe más lugar o tiempo.

Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. La contracción térmica es la disminución de propiedades métricas por disminución de la misma.

DILATACIÓN LINEAL

Es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, es decir, en el ancho, largo o altura del cuerpo. El coeficiente de dilatación lineal, designado por α_L, para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después:

\alpha _{L}={\frac {1}{L}}\left({\frac {dL}{dT}}\right)_{P}=\left({\frac {d\ln L}{dT}}\right)_{P}\approx {\frac {1}{L}}\left({\frac {\Delta \ L}{\Delta \ T}}\right)_{P}.

Donde

\Delta L

, es el incremento de su integridad física cuando se aplica un pequeño cambio global y uniforme de temperatura

\Delta T

a todo el cuerpo. El cambio total de longitud de la dimensión lineal que se considere, puede despejarse de la ecuación anterior:

$L_{f}=L_{0}[1+\alpha _{L}(T_{f}-T_{0})]\;$

Donde:

α=coeficiente de dilatación lineal [°C^-1]

L₀ = Longitud inicial

L_f = Longitud final

T₀ = Temperatura inicial.

T_f = Temperatura final

DILATACIÓN VOLUMÉTRICA

Animación: Dilatación y contracción volumétrica de un gas por variación de la temperatura.

Es el coeficiente de dilatación volumétrico, designado por α_V, se mide experimentalmente comparando el valor del volumen total de un cuerpo antes y después de cierto cambio de temperatura, y se encuentra que en primera aproximación viene dado por:

$\alpha _{V}\approx {\frac {1}{V(T)}}{\frac {\Delta V(T)}{\Delta T}}={\frac {d\ln V(T)}{dT}}$

Experimentalmente se encuentra que un sólido isótropo tiene un coeficiente de dilatación volumétrico que es aproximadamente tres veces el coeficiente de dilatación lineal. Esto puede probarse a partir de la teoría de la elasticidad lineal. Por ejemplo si se considera un pequeño prisma rectangular (de dimensiones: L_x, L_y y L_z), y se somete a un incremento uniforme de temperatura, el cambio de volumen vendrá dado por el cambio de dimensiones lineales en cada dirección:

${\begin{matrix}\Delta V=V_{f}-V_{0}=&((1+\alpha _{L}\Delta T)L_{x}\cdot (1+\alpha _{L}\Delta T)L_{y}\cdot (1+\alpha _{L}\Delta T)L_{z})-L_{x}L_{y}L_{z}=\\&=(3\alpha _{L}\Delta T+3\alpha _{L}^{2}\Delta T^{2}+\alpha _{L}^{3}\Delta T^{3})(L_{x}L_{y}L_{z})\approx 3\alpha _{L}\Delta TV_{0}\end{matrix}}$

Esta última relación prueba que

\scriptstyle \alpha _{V}\ \approx \ 3\alpha _{L}

, es decir, el coeficiente de dilatación volumétrico es numéricamente unas 3 veces el coeficiente de dilatación lineal de una barra del mismo material.

DILATACIÓN DE ÁREA

Cuando un área o superficie se dilata, lo hace incrementando sus dimensiones en la misma proporción. Por ejemplo, una lámina metálica aumenta su largo y ancho, lo que significa un incremento de área. La dilatación de área se diferencia de la dilatación lineal porque implica un incremento de área.

El coeficiente de dilatación de área es el incremento de área que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de área igual a la unidad, al elevarse su temperatura un grado centígrado. Este coeficiente se representa con la letra griega gamma (γ). El coeficiente de dilatación de área se usa para los sólidos. Si se conoce el coeficiente de dilatación lineal de un sólido, su coeficiente de dilatación de área será dos veces mayor:

$\gamma _{A}\approx 2\alpha$

Al conocer el coeficiente de dilatación de área de un cuerpo sólido se puede calcular el área final que tendrá al variar su temperatura con la siguiente expresión:

$A_{f}=A_{0}[1+\gamma _{A}(T_{f}-T_{0})]\;$

Donde:

γ=coeficiente de dilatación de área [°C^-1]

A₀ = Área inicial

A_f = Área final

T₀ = Temperatura inicial.

T_f = Temperatura final

CAUSA DE LA DILATACIÓN

En un sólido las moléculas tienen una posición razonablemente fija dentro de él. Cada átomo de la red cristalina vibra sometido a una fuerza asociada a un pozo de potencial, la amplitud del movimiento dentro de dicho pozo dependerá de la energía total de átomo o molécula. Al absorber calor, la energía cinética promedio de las moléculas aumenta y con ella la amplitud media del movimiento vibracional (ya que la energía total será mayor tras la absorción de calor). El efecto combinado de este incremento es lo que da el aumento de volumen del cuerpo.

En los gases el fenómeno es diferente, ya que la absorción de calor aumenta la energía cinética media de las moléculas lo cual hace que la presión sobre las paredes del recipiente aumente. El volumen final por tanto dependerá en mucha mayor medida del comportamiento de las paredes.

La dilatación térmica es el proceso mediante el cual se calienta un cuerpo sólido, la energía cinética de sus átomos aumenta de tal modo que las distancias entre las moléculas crecen, expandiéndose así el cuerpo, o contrayéndose si es enfriado. Estas expansiones y contracciones causadas por variación de temperatura en el medio que le rodea. La temperatura es una magnitud asociada con la sensación de lo frio y caliente. Por lo general, un objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor. Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico. El calor es el proceso mediante el cual se transmite energía de un cuerpo de mayor temperatura a otro cuerpo de menor temperatura.

Física

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