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¡Bienvenido al blog de cambios provocados por el calor del equipo 1 de física del grupo 5AVEO del Centro de Bachillerato Tecnológico Industrial y de servicios #37 de Cd. Obregón, Sonora, México!

Las entradas o publicaciones que encontraras te explicaran acerca de los tres tipos diferentes de dilataciones que sufren los cuerpos debido a los cambios de calor, de una manera sencilla para que sea fácil de entender.

Antes de iniciar directamente con los tres tipos de dilataciones que sufren los cuerpos hay que señalar ¿Qué es el calor?

El calor es una forma de energía que se transfiere entre un sistema y su entorno o entre un sistema y otro debido a una diferencia de temperatura entre ambos, donde la energía fluye del sistema de mayor temperatura hacia el de menor temperatura.

Puesto que el calor se asocia con un cambio de temperatura y esta a su vez se relaciona con la energía molecular interna de una sustancia, se puede concluir que el calor es una forma de energía: energía térmica que fluye de un sistema de mayor temperatura a otro de menor temperatura.
Así que la temperatura no es una medida del calor de un cuerpo, es energía interna que se incrementa cuando aumenta el calor.
Cuando se suministra calor a una sustancia, se puede elevar su temperatura y producirse alteraciones en algunas de sus propiedades físicas  como en el tamaño de los cuerpos, ya que la mayoría de ellos se dilatan al calentarse y se contraen al enfriarse. 

Una vez explicado y aclarado esto, se les recuerda que el objetivo de este blog es informarte y ayudarte en el estudio de este tema con información de fuentes de lo mas confiables y con algunas imágenes para entender mejor el tema y que sea un poco mas ilustrativo.

Esperamos que encuentres toda al información que buscabas y que este blog sea de mucha ayuda.

1.2.1 Dilatación

Llamamos dilatación al cambio de dimensiones que experimentan los sólidos, líquidos y gases cuando se varía la temperatura, permaneciendo la presión constante. 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.


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. 

Existen tres tipos de dilatación: lineal, superficial y cubica o volumétrica.

Antes de hablar sobre los tres tipos de dilatación se explicara el coeficiente de dilatación para evitar dudas sobre este tema mas adelante.

Coeficiente de dilatación.

Según su naturaleza cada cuerpo posee lo que se llama coeficiente de dilatación térmica, cuyo símbolo es α y su unidad de medida es 1/°C o °C-1. Se denomina coeficiente de dilatación al cociente que mide el cambio relativo de longitud o volumen que se produce cuando un cuerpo sólido o un fluido dentro de un recipiente experimenta un cambio de temperatura experimentando una dilatación térmica. A continuación se muestran algunos coeficientes de distintos materiales:



En todas las sustancias de la tabla, el cambio en el tamaño consiste en una dilatación al cambiar la temperatura, ya que α es positiva. El orden de la magnitud es alrededor de 1 milímetro por metro de longitud en un intervalo Celsius de 100 grados.

Este fenómeno se presenta el sólido y en líquidos. Existen algunos materiales que no son casi inmunes a la dilatación, el más famoso, una aleación de iridio del cual está hecho el antiguo metro patrón de Francia.



1.2.1.1. Dilatación Lineal


La dilatación es el cambio de cualquier dimensión lineal del sólido tal como su longitud, alto o ancho, que se produce al aumentar su temperatura. Generalmente se observa la dilatación lineal al tomar un trozo de material en forma de barra o alambre de pequeña sección, sometido a un cambio de temperatura, el aumento que experimentan las otras dimensiones son despreciables frente a la longitud. Debido a que los sólidos tienen una forma ya definida, su expansión térmica se analiza con las determinadas dimensiones del objeto. 

La dilatación lineal es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, o sea, en el ancho, largo o altura del cuerpo, y al cambio de dicha dimensión se le llama expansión térmica lineal.

Experimentalmente se encuentra que el cambio de longitud es proporcional al cambio de temperatura y la longitud inicial. En la siguiente gráfica se ilustra dicho conocimiento.


Con esta imagen podemos explicar la aplicación de la formula de dilatación lineal.




La longitud inicial, u original de la barra se presenta como Lo, y la temperatura inicial como To o T1. Cuando se calienta a una nueva temperatura que se indica como T o (que se expresa ∆T= T2 – T1) produce un cambio de longitud, que se expresa ∆L T2, la nueva longitud de la barra se indica como L. Por lo tanto un cambio de temperatura = L- Lo. Entonces el cambio de longitud en un objeto esta dado por la siguiente fórmula:
∆L = α Lo ∆T
Donde:
*∆L= cambio en la longitud (L- Lo).
*α= constante de proporcionalidad y se denomina coeficiente de expansión térmica lineal del material. El determinado valor que se busque se encuentra en la tabla ofrecida en el tema de coeficiente de dilatación.
*Lo= longitud inicial (antes de la dilatación).
*∆T= cambio de temperatura. (T2 – T1) o (T – TO).

Abajo podrás encontrar un vídeo  donde se explican como resolver un problema con esta formula.




1.2.1.2 Dilatación superficial

¿Dilatación superficial? ¿Qué es eso? 

Para algunas personas  tal vez este concepto suene extraño pero pronto veras que es un fenómeno más común de lo que parece.                              
Alguna vez te has notado que los rieles de un tren están un poco separados. Esto es porque con el calor del sol hace que se expandan y crezcan un poco. ¿No me crees? ¿Verdad que parece ilógico que crezcan? Pues en realidad es lo que sucede.


Nosotros estudiaremos este fenómeno, enfocado hacia superficies como puede ser los rieles de un ferrocarril o una lamina de aluminio.
Ahora pongámonos un poco más científicos y el concepto de dilatación superficial.
Empecemos desde el principio.
Como ya se explico anteriormente cuando un cuerpo recibe calor, sus partículas se mueven más deprisa, por lo que necesitan más espacio para desplazarse y, por tanto, el volumen del cuerpo aumenta. A este aumento de volumen se le llama dilatación
Entonces, la dilatación superficial es la expansión de una superficie que experimenta un cuerpo al ser calentado.

                                                                                           
El fenómeno de dilatación superficial se presenta, por lo general en placas metálicas o en láminas muy delgadas, donde podemos apreciar su espesor.
En estas placas metálicas, al aplicarles calor se produce una expansión de su superficie o área, es decir, crecen un poco.


Para calcular la variación de superficie que experimenta una placa metálica, por ejemplo, se aplica la expresión:
............... Af = Ao (1+β.Δt)
                                                                                                                                                                

                                                                                          Coeficientes de dilatación


Donde;              
Af = Área o Superficie final                              
Ao = Área o Superficie inicial
β = Coeficiente de dilatación Superficial
Δt = variación de temperatura ( Tf -- To)





Cuando se trata de dilatación superficial el coeficiente se tiene que multiplicar por dos, como:



ΔA= 2AaoΔT                   
Donde:       
ΔA= Incremento de temperatura
Ao= Área del objeto antes de la dilatación
Δt= diferencia de temperaturas (T2-T1)
2a= Y

Entonces, la dilatación superficial es aquella en que predomina la variación en dos dimensiones, o sea, la variación del área del cuerpo debido a la intervención de un cambio de temperatura.
Este fenómeno se representa con la siguiente fórmula;
ΔA=βAoΔT

Donde;
ΔA= Aumento de área.
Β= Dilatación del material.
Ao= Área inicial.
ΔT= Incremento de temperatura.

*Ahora veamos cómo se aplica en un problema;
Una placa de vidrio de 10*10cm incrementa su temperatura de 17° a 50°c.

¿Cuál es su incremento superficial?
Lo que nos pide el problema es ΔA.

¿Cómo llegamos a ese resultado?;
ΔA=βAoΔT

Solo sustituimos valores ya que todos los datos los proporciona el problema.
ΔA=100cm2(1.8*10-51/c)(50°-17°)

Realizamos las operaciones para llegar al resultado;
ΔA=0.0594 cm2

Abajo encontraras un vídeo sobre algunos problemas mas, así como el procedimiento para resolverlos.



1.2.1.3. Dilatación Volumétrica.



La dilatación del material calentado es la misma en todas direcciones. Por lo tanto, el volumen de un liquido, gas o solido tendrá un incremento en volumen predecible al aumentar la temperatura. Razonando en forme similar a como se hizo en las secciones previas, obtendremos las siguientes formulas para la dilatación de volumen.


Los líquidos se caracterizan por dilatarse al aumentar la temperatura, siendo su dilatación volumétrica unas diez veces mayor que la de los sólidos.


Dilatación aparente observada, que es el resultado de dilatarse el líquido y la vasija. 






Podríamos tomar como ejemplo, una vasija llena de leche, cuando esta hierve nos damos cuenta que sobrepasa el nivel de la vasija que lo contiene, es un claro ejemplo de que este liquido se ha dilatado.



Otro ejemplo sería el de el anillo de travesando que se explica mejor en el siguiente vídeo.






El incremento de volumen de un cuerpo puede calcularse mediante la expresión matemática:

∆V = β.Vo.∆ t

V = Vo +  β.Vo. ∆t

Donde:
ΔV= Incremento de volumen.
β = Dilatación del material (3α).
Vo= volumen inicial.         
ΔT= Incremento de temperatura.

   El símbolo β (beta) es el coeficiente de dilatación de volumen. Representa el cambio en volumen por unidad de volumen por cada grado que cambia la temperatura. Para materiales sólidos es aproximadamente el triple del coeficiente de dilatación lineal.
 Β = 3α

   Cuando se trabaja con sólidos, podemos obtener β a partir de la tabla de coeficientes de dilatación lineal. Los coeficientes de dilatación correspondientes a diferentes líquidos aparecen la siguiente tabla. La separación molecular en el caso de los gases es tan grande que todos ellos se dilatan más o menos en la misma proporción. La expansión volumétrica de los gases se estudiara después.

Ejemplo:
Un tanque de gasolina de 60 litros, se llena en la mañana a una temperatura de 10°C, y se deja estacionado en un lugar donde la temperatura llega hasta los 40°C en el momento más caluroso del día, ¿Cuál será el aumento en el volumen de la gasolina?
Coeficiente de dilatación de la gasolina 9.60 X 10^-4
   Para este problema se te presentan varias variables:

Volumen Inicial: 60 litros
Temperatura Inicial: 10 ºC
Temperatura Final: 40º C
Coeficiente de dilatacion: 9.60e-4
Volumen Final: ¿?

   Con esto ya podemos darnos una idea qué tenemos y qué queremos. Ahora, hay una fórmula para la expansión volumétrica de un material que indica:

DV=B Vi DT

DV= Delta V = Volumen final - Volumen Inicial
B = Beta = Coeficiente de expansión volumétrica
Vi = Volumen Inicial
DT = Delta T = Temperatura Final - Temperatura Inicial

Con lo que tendríamos lo siguiente:

(Vf - Vi) = B Vi DT

Despejando el Volumen Final quedaría lo siguiente:

Vf = ( B Vi DT ) + Vi

Ahora sustituimos

Vf = (9.60e-4 ºCe-1)*(60 lt)*(30ºC) + 60lt
Vf = 61.728 lt

   Así que como resultado tenemos 1.728 litros de más cuando la temperatura aumenta a 40ºC, esto significa que de seguro ya se le tiró un medio galón de gasolina.



   

1.2.1.4. Dilatación Anómala del agua


La dilatación o contracción del agua se puede medir fácilmente observando el nivel del agua en un tubo. A medida que se incrementa la temperatura del agua contenida en el tubo baja gradualmente indicando una contracción. La contracción continúa hasta que la temperatura del bulbo y la del agua son de 4°C. Cuando la temperatura aumenta por arriba  de 4°C, el agua cambia de dirección y se eleva en forma que continua, indicando la dilatación normal con un incremento de temperatura. Esto significa que le agua tiene su volumen mínimo y su densidad máxima a 4°C.

   La variación en la densidad del agua con la temperatura se muestra gráficamente en la siguiente figura. Si estudiamos la grafica en la zona de las altas temperaturas, notamos quela densidad aumenta gradualmente hasta un máximo de 1.0 g/cm a 4°C. Luego, que la densidad decrece gradualmente hasta que el agua alcanza el punto de congelación. El hielo ocupa un volumen mayor que el agua y a veces, cuando se forma, puede provocar que se rompan las tuberías de agua si no se toman las debidas precauciones. El mayor volumen del hielo se debe a la forma en que se unen los grupos de moléculas en una estructura cristalina. A medida que se funde el hielo, el agua formada aun contiene grupos de moléculas enlazadas en esa estructura cristalina. Cuando estas estructuras empiezan a romperse, las moléculas se mueven muy juntas, aumentando la densidad. Este es el proceso dominante hasta que el agua alcanza una temperatura

   Dilatación anómala del agua Variación en la densidad del agua en las proximidades de 4°C



Memoria fotografica

A continuación se presentan algunas fotos del equipo #1 en la elaboración de su proyecto.












¿Dudas?

Si tienen alguna duda u/o aclaración, contacta a este correo cambiosporcalor@hotmail.com

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Datos personales

Integrantes: Maximino Garcia Jesus, Cota Pineda Juan Antonio, Alcántara Tavarez Kassandra, Rodriguez Briceño Alejandro.