Física Dilatación Térmica De Los Cuerpos

Paloma Martínez. UPCT-1ºGrado en Ingeniería de las Industrias Agroalimentarias

DILATACIÓN TÉRMICA DE LOS CUERPOS
Introducción
La dilatación térmica es el fenómeno por el cual las dimensiones de un
sólido varían en las tres dimensiones como consecuencia de un cambio en la
temperatura. Cuando la temperatura aumenta el sólido se calienta y se dilata
aumentando su volumen, y si la temperaturadesciende entonces el cuerpo se
enfría y sus dimensiones disminuyen.
Ésto se produce porque al aumentar la temperatura los átomos del
sólido, que se encontraban vibrando en una situación enérgica de equilibrio,
aumentan su energía cinética y vibran con una amplitud mayor produciendo el
aumento del volumen del cuerpo.
La dilatación térmica se puede entender entonces como el efecto de uncambio en la separación media de los átomos de un cuerpo. En el supuesto de
un sólido que constase de una estructura regular de átomos unidos por fuerzas
eléctricas que se consideran elásticas, como si fuesen resortes rígidos. Para
temperaturas en los rangos comunes de la naturaleza, los átomos vibran
respecto a sus posiciones de equilibrio con una amplitud aproximada de 10-11 m
y la separaciónpromedio entre los átomos es de 10-10 m. Al aumentar la
temperatura del sólido, los átomos vibran con amplitudes más grandes y la
separación promedio entre ellos aumenta, dando por resultado que el sólido
como un todo se dilate cuando aumente su temperatura. Si la dilatación es lo
suficientemente pequeña en comparación con sus dimensiones, el cambio de
cualquiera de ellas, largo, ancho o altose puede aproximar a una función lineal
de la temperatura.

Tipos de dilatación
Se pueden clasificar las dilataciones en lineales, superficiales o
volumétricas en función a si se producen con más predominio sobre una, dos o
tres dimensiones respectivamente.

Ilustración 1.
Dilatación lineal.

Ilustración 2.
Dilatación superficiall.

Ilustración 3. Dilatación
volumétrica.

1Paloma Martínez. UPCT-1ºGrado en Ingeniería de las Industrias Agroalimentarias

Sea entonces la dimensión lineal de un cuerpo a una cierta temperatura,
a lo largo de alguna dirección, l. Para un cambio de temperatura T la longitud
aumentará en una cantidad l. Se puede comprobar experimentalmente que el
cambio en la longitud es proporcional al cambio de temperatura y a la longitud
inicialsiempre que T sea pequeña.
La ecuación básica para la dilatación de un sólido se puede expresar
entonces como:
l =α l T
Donde α es una constante de proporcionalidad denominada coeficiente
promedio de dilatación lineal para un material dado (se mide en ºC-1 ), que se
considera promedio, porque aunque en general varia con la temperatura, esta
variación es despreciable a la escala en que serealizan la mayoría de las
mediciones.
Como las dimensiones lineales de los cuerpos cambian con la
temperatura, se deduce que el área y el volumen del cuerpo también cambian
con la temperatura. El cambio en el volumen a presión constante es
proporcional al volumen original V y al cambio de temperatura, es decir:
V=βV T
donde β es el coeficiente promedio de dilatación volumétrica. Para un
sólidoisotrópico (su coeficiente de dilatación lineal es el mismo en todas las
direcciones), el coeficiente de dilatación volumétrica es el triple del coeficiente
de dilatación lineal (β = 3α), de manera que
V = 3α V T
Asimismo, en una hoja o lámina delgada, el cambio en el área de una
placa isotrópica es:
A = 2α A

La dilatación anómala del agua
El comportamiento normal de los líquidos alcalentarse es expandirse.
Sin embargo, en el agua fría ocurre todo lo contrario: el agua a 0º C se contrae
si aumenta su temperatura hasta que alcanza los 4º C. A partir de este valor
comienza a expandirse hasta llegar a la temperatura de ebullición.

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Paloma Martínez. UPCT-1ºGrado en Ingeniería de las Industrias Agroalimentarias

De esta manera una cantidad de agua alcanza su volumen...