Casi todas las sustancias (sólidos, líquidos y gases) se expanden al calentarse y se contraen al enfriarse. La expansión de una sustancia al calentarla se denomina expansión térmica de esa sustancia. Hay tres tipos de expansión: lineal (aumento de longitud), superficial (aumento de área) y expansión cúbica (aumento de volumen). Los sólidos tienen una forma definida, por lo que cuando se calienta un sólido se expande en todas las direcciones, es decir, la longitud, el área y el volumen aumentan al calentarse. Los líquidos y los gases solo muestran expansión cúbica. Al calentarse, los líquidos se expanden más que los sólidos y los gases se expanden mucho más que los líquidos. En esta lección, usted aprenderá:
Al calentar un sólido, aumenta la energía cinética promedio de las moléculas del sólido. Comienzan a vibrar alrededor de su posición media con una gran amplitud. El resultado es que su posición media cambia de tal manera que aumenta la separación intermolecular entre las moléculas, por lo que el sólido se expande en todas las direcciones.
Experimento: Tome una bola de metal y un anillo.
i) Coloque la bola y el anillo de metal como se muestra en la imagen a continuación (figura a). La bola de metal debe deslizarse a través del anillo cuando ambos estén a temperatura ambiente.
ii) Ahora caliente la bola de metal en un quemador (figura b)
iii) Vuelva a colocar el aro e intente pasar la pelota a través del aro. Notarás que la pelota se atasca.
Motivo: Al calentarse, la bola se expande y se hace más grande en diámetro.
Ahora deja que la pelota se enfríe y vuelve a intentar pasar la pelota por el aro, notarás que ahora la pelota pasa por el aro. Esto se debe a que al enfriarse, la pelota se contrae.
Expansión lineal
Siempre que hay un aumento en la longitud de un cuerpo debido al calentamiento, la expansión se llama expansión lineal. Consideremos la expansión lineal en una barra metálica. El aumento de la longitud de una varilla metálica al calentarla depende de los siguientes tres factores:
Nota: El aumento de la longitud de una varilla al calentarla no depende de si es hueca o sólida
Expansión superficial de sólidos
Cuando se calienta una placa de metal, tanto su largo como su ancho aumentan. Esto aumenta el área de la placa. Un aumento en el área de la placa depende de:
Expansión cúbica de sólidos.
Cuando se calienta un sólido, su longitud, anchura y espesor aumentan, por lo que aumenta el volumen. Experimentalmente se observa que el aumento de volumen de un sólido depende de:
| Si L 0 es la longitud de una varilla a 0 o C y su longitud a t o C es L t , entonces un aumento en la longitud está dado por L t - L 0 = L 0 α t α es el coeficiente de dilatación lineal que depende del material de la varilla. Su unidad es por o C |
| Si A 0 es el área de una placa a 0 o C y su área en t o C es A t , entonces un aumento en el área se da como A t - A 0 = A 0 β t β es el coeficiente de expansión superficial que es diferente para diferentes sólidos. |
| Si V 0 es el volumen de un sólido a 0 o C y su área en t o C es V t , entonces el aumento de volumen está dado por V t - V 0 = V 0 γ t γ es el coeficiente de expansión cúbica que es diferente para diferentes materiales. |
Relación entre α, β y γ: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
Coeficiente de expansión lineal de algunos sólidos
| Sustancia | Coeficiente de expansión lineal ( x 10 -6 por o C) |
| Aluminio | 24 |
| Latón | 19 |
| Cobre | 17 |
| Hierro | 12 |
| Invar | 0.9 |
Expansión térmica de sólidos en la vida diaria
1. Vías de ferrocarril: Los rieles de las vías de ferrocarril están hechos de acero. Al colocar las vías del tren sobre las plantas de madera o de hormigón, se deja un pequeño espacio entre los tramos sucesivos de los rieles, como se muestra en la figura a continuación. La razón es que, en verano, debido al aumento de la temperatura atmosférica, cada riel tiende a aumentar su longitud, por lo que se deja un espacio entre los dos rieles, de lo contrario, el riel se doblará hacia los lados.
2. Cables eléctricos y cables telefónicos: El cable eléctrico en la línea de transmisión de energía y los cables telefónicos entre dos postes pueden romperse en invierno debido a la contracción y pueden combarse en verano debido a la expansión. Por lo tanto, al colocar el cable entre dos postes se tiene cuidado de que en verano se mantengan ligeramente sueltos para que en invierno no se rompan por contracción. Y mientras se colocan en invierno, se mantienen ajustados para que no se comben demasiado en verano debido a la expansión.
3. Cristalería utilizada en la cocina: la cristalería utilizada en la cocina generalmente está hecha de vidrio pirex. La razón es que el vidrio Pyrex tiene un coeficiente de expansión cúbica muy bajo, por lo que la cristalería al calentarse no se expande ni se agrieta.
Al igual que los sólidos, los líquidos también suelen expandirse al calentarse. Los líquidos se expanden mucho más que los sólidos cuando se calientan. Como el líquido no tiene una forma definida pero tiene un volumen definido, por lo tanto, los líquidos solo tienen expansión cúbica.
Excepción: el agua se contrae al calentarla de 0 o C a 4 o C y luego, más allá de los 4 o C, al calentarla más, se expande. Esto se llama comportamiento anómalo del agua.
Experimento: Tome un frasco, llene las tres cuartas partes con agua y cierre el frasco. Manténgalo en la llama. Notarás que a medida que el agua se calienta más y más, sube el nivel del agua en la jarra.
Nota: Cuando se calienta un líquido contenido en la jarra, primero se calienta la jarra y, por lo tanto, se expandirá, por lo que bajará el nivel del líquido. A partir de entonces, cuando el calor alcance el líquido, se expandirá, por lo que el nivel de líquido aumentará. Por lo tanto, la expansión real del líquido es mayor que la expansión observada.
Factores que afectan la expansión cúbica de un líquido
La expansión cúbica de un líquido depende de los siguientes tres factores:
Si V 0 es el volumen de líquido a 0 o C y V t el volumen de líquido a t o C, entonces un aumento en el volumen de líquido se da como
V t - V o = V 0 γ t
donde γ es el coeficiente de expansión cúbica del líquido .
Coeficiente de expansión cúbica de algunos líquidos.
| Líquido | Coeficiente de expansión cúbica γ ( x 10 -4 por o C) |
| Mercurio | 1.8 |
| Agua (por encima de 15 O C) | 3.7 |
| Parafina | 9.0 |
| Alcohol | 11.0 |
Aplicación de la expansión térmica de líquidos en la vida diaria.
La expansión térmica del líquido se utiliza en el funcionamiento de un termómetro de mercurio. El termómetro de mercurio consta de un tubo capilar con un extremo cerrado y un bulbo cilíndrico en el otro extremo. El bulbo está lleno de mercurio. El mercurio es un líquido brillante, por lo que su nivel se puede ver fácilmente en el tubo capilar. Cuando el bulbo del termómetro se mantiene en contacto con un cuerpo caliente, el mercurio se expande. El nivel de mercurio sube en el tubo capilar. El tubo está graduado para leer la temperatura. Por cada grado Celsius que aumenta la temperatura, el mercurio se expande en el mismo volumen, por lo que la calibración del termómetro se vuelve más fácil.
Los gases también se expanden cuando se calientan. Los gases se expanden mucho más que los líquidos y los sólidos. Al igual que los líquidos, los gases no tienen una forma definida, por lo que también tienen expansión cúbica. Sin embargo, los gases que están contenidos en un volumen fijo no pueden expandirse, por lo que los aumentos de temperatura provocan aumentos de presión.
Experimento: Tome una botella vacía. Coloca un globo de goma en su cuello. Inicialmente, el globo se desinfla. Coloque la botella en un baño de agua que contenga agua hirviendo. Después de un tiempo, notará que el globo se infla como se muestra en la figura a continuación. Esto muestra que al calentarse, el aire encerrado en la botella se expande y llena el globo para que se infle.
Aplicación de la dilatación térmica de los gases en la vida diaria.
Globo aerostático: los globos aerostáticos funcionan según el principio de la diferencia de expansión térmica entre un gas y un sólido. Debido a que el aire caliente dentro de la bolsa del globo aumenta de tamaño más rápido que el contenedor, estira la bolsa para que se expanda y desplace el aire más frío (más pesado) fuera de la bolsa. La diferencia entre la densidad del aire dentro y fuera de la bolsa hace que el globo se eleve. El enfriamiento del aire dentro de la bolsa hace que el globo descienda.
Cuando una sustancia se calienta, su volumen aumenta mientras que su masa permanece igual, por lo tanto, la densidad de la sustancia (que es la relación entre la masa y su volumen) disminuye con el aumento de la temperatura. En el caso de los sólidos, la disminución de la densidad no se nota, pero en el caso de los líquidos y los gases, a medida que aumenta la temperatura, el volumen aumenta en una cantidad apreciable y, por lo tanto, la disminución de la densidad es bastante notable.
