Contracción y expansión térmicas: definición y ejemplos

Contracción térmica

Toda la materia está compuesta de átomos. Cuando los átomos se unen con uno o más átomos, forman moléculas. Los átomos y las moléculas se comportan de manera diferente para cada tipo de materia. Vibran en el mismo lugar en el caso de los objetos sólidos. Los átomos en los líquidos simplemente se deslizan o fluyen unos sobre otros, mientras que los átomos en un gas se mueven en un movimiento rectilíneo continuo hasta que chocan con las paredes del recipiente o con otra partícula.

¿Qué es la contracción térmica y por qué se produce? La contracción térmica, o encogimiento de los materiales, se produce cuando los materiales se someten a una disminución de la temperatura. Se produce en todo tipo de materia, ya sea sólida, líquida o gaseosa. Cuando se somete a una disminución de la temperatura a presión constante, los átomos y las moléculas se mueven más lentamente debido a una disminución de sus energías cinéticas. Como resultado, las distancias entre las moléculas disminuyen y las dimensiones del objeto, como su longitud y anchura, también disminuyen en una cantidad relativamente pequeña.

¿El calor se expande o se contrae?

¿El calor expande o contrae los objetos? La mayoría de los materiales se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. Como se mencionó en la sección anterior, la contracción y la expansión ocurren debido al cambio en la energía interna (específicamente la energía cinética de los átomos y las moléculas) debido al cambio de temperatura. El cambio en la energía cinética permite que las moléculas se muevan más rápido o más lento y, a su vez, reduce o aumenta las distancias promedio entre partículas dentro de un material.

Expansión térmica del agua

¿El agua se expande o se contrae cuando se congela? Como se mencionó anteriormente, la mayoría de las sustancias se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. Curiosamente, la expansión térmica del agua ocurre cuando la temperatura disminuye de 4{eq}^{\circ} {/eq}C a 0{eq}^{\circ} {/eq}C. Por encima de 4{eq}^{\circ} {/eq}C, el agua se comporta de la misma manera que otras sustancias.

Esta característica distintiva del agua es esencial para la supervivencia de la vida acuática bajo cuerpos de agua como lagos. Durante el invierno, la superficie del agua fría en un lago con una temperatura superior a 4{eq}^{\circ} {/eq}C se hunde debido a su alta densidad y luego es reemplazada por el agua más cálida que se encuentra debajo. Este ciclo continúa hasta que toda el agua del lago alcanza una temperatura uniforme de 4{eq}^{\circ} {/eq}C. Como el agua se expande de 4{eq}^{\circ} {/eq}C a 0{eq}^{\circ} {/eq}C, su volumen aumenta y su densidad disminuye en comparación con el agua a temperaturas superiores a 4{eq}^{\circ} {/eq}C. La superficie fría del lago permanece en la superficie ya que es menos densa que el agua de 4{eq}^{\circ} {/eq}C que se encuentra debajo. Luego se congela y el hielo permanece en la superficie como resultado de su menor densidad. Esta capa de hielo aísla el agua que se encuentra debajo, reduciendo la transferencia de calor desde el agua más cálida hacia el entorno más frío. Como consecuencia, la mayoría de los lagos no se congelan completamente hasta el fondo, lo que garantiza la supervivencia de los organismos que habitan en ellos.

Resumen de la lección

La mayoría de los objetos se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. La expansión térmica ocurre cuando las dimensiones de un material aumentan debido a un aumento de la temperatura. Tanto la expansión como la contracción térmica ocurren en una, dos y tres dimensiones. La expansión térmica lineal se caracteriza por un aumento de la longitud. La expansión térmica del área se refiere a la expansión en dos dimensiones (por ejemplo, longitud y ancho), mientras que la expansión térmica del volumen es la expansión en tres dimensiones (por ejemplo, longitud, ancho y altura). Un aumento de la temperatura hace que los átomos y las moléculas ganen energía interna (específicamente una energía cinética promedio más alta), lo que les permite moverse más rápido y da como resultado un ligero aumento en las distancias de partícula a partícula. Cuando el material se somete a una disminución de la temperatura, sufre una contracción térmica, donde el material se encoge ya que sus átomos y moléculas tienen energías cinéticas más bajas y generalmente se ralentizan. La cantidad de expansión lineal térmica de un material se resuelve utilizando {eq}\Delta l = \alpha l_0 \Delta T {/eq}, donde {eq}\Delta l {/eq} es el cambio en longitud, {eq}\alpha {/eq} es el coeficiente de expansión lineal, {eq}l_0 {/eq} es la longitud original y {eq}\Delta T {/eq} es el cambio en temperatura. El coeficiente de expansión lineal, {eq}\alpha {/eq}, es un valor determinado experimentalmente para una temperatura específica y es único para cada material. Para líquidos y gases, el coeficiente de expansión de volumen se utiliza comúnmente. Es simplemente tres veces el coeficiente de expansión lineal. La misma ecuación se utiliza para determinar la cantidad de contracción térmica; La única diferencia es que después de los cálculos, {eq}\Delta l {/eq}, {eq}\Delta A {/eq} o {eq}\Delta V {/eq} son negativos.

La expansión y contracción térmica tiene una amplia gama de aplicaciones. Es beneficiosa para algunas situaciones, como el uso de tiras bimetálicas para controlar la temperatura. Pero también puede ser una molestia en algunos casos, como la rotura de un vaso inicialmente caliente colocado bajo agua corriente helada, el pandeo de las vías del tren y el goteo o desbordamiento de gasolina de un tanque de acero. También puede explicar algunos fenómenos naturales, como por qué la mayoría de los lagos y estanques no se congelan por completo durante el invierno. Se debe a una característica única del agua: el hecho de que se expande en lugar de contraerse a medida que se enfría de 4{eq}^{\circ} {/eq}C a 0{eq}^{\circ} {/eq}C.