Expansión térmica: definición, ecuación y ejemplos

¿Qué es la expansión térmica?

Un día estás intentando abrir un frasco de pepinillos, pero la tapa está muy apretada y no puedes hacerlo. Intentas usar una empuñadura de goma, pero eso no funciona. Intentas golpear la tapa del frasco en el mostrador para romper el sello, pero no sucede nada. Finalmente, prueba el truco favorito de su abuela: coloca la tapa de metal del frasco bajo agua caliente para calentarla. El frasco se abre fácilmente. ¿Pero por qué? La respuesta es la expansión térmica.

La expansión térmica ocurre cuando un objeto se expande y se vuelve más grande debido a un cambio en la temperatura del objeto. Para comprender cómo sucede esto, debemos pensar en qué temperatura es realmente. La temperatura es la energía cinética (o movimiento) promedio de las moléculas de una sustancia. Una temperatura más alta significa que las moléculas se mueven más rápido en promedio. Si calienta un material, las moléculas se mueven más rápido y, como resultado, ocupan más espacio; tienden a moverse hacia áreas que antes estaban vacías. Esto hace que aumente el tamaño del objeto.

Entonces, cuando calienta la tapa del frasco, sucede lo mismo: la tapa del frasco se expande. También lo hace el vidrio, pero los metales se expanden más que el vidrio. Los espacios entre la tapa del frasco de metal y las roscas de vidrio aumentan, por lo que es más fácil de abrir.

Ecuación

Esta ecuación describe una expansión térmica lineal, que examinaremos en el contexto de una barra de metal que se expande y aumenta su longitud:

En esta ecuación, delta L es el cambio en la longitud de la barra, delta T es el cambio en la temperatura de la barra, L es la longitud original antes de que cambiara la temperatura y alfa es el coeficiente lineal de expansión térmica. El coeficiente es solo un número que representa cuánto se expande el material. Los metales, por ejemplo, tienden a expandirse más que los plásticos.

Ejemplo

Ya hemos hablado de abrir un frasco rebelde, pero otro ejemplo de expansión térmica son las juntas de un puente. Los puentes se construyen con hormigón y otros materiales relativamente firmes, pero estos materiales se expanden como cualquier otra cosa. Cuando eso sucede, un puente podría romperse y colapsar. Para evitar esto, se colocan juntas de expansión en puentes grandes. De esa manera, a medida que la temperatura varía a lo largo del año, el puente puede alargarse o acortarse sin causar grietas o roturas.

Entonces, digamos que un puente tiene una longitud de 50 metros en un día en el que la temperatura es de 15 grados Celsius y el coeficiente de expansión del puente es de 0,0005. ¿Cuánto tiempo durará el puente en un día en el que la temperatura sea de 35 grados Celsius?

Bueno, eso es un cambio de temperatura de 20 grados (35 – 15 = 20), entonces delta T es 20. Y conocemos tanto la longitud original como el coeficiente de expansión. Entonces, todo lo que tenemos que hacer es insertar los tres números y resolver. El cambio de longitud será igual a:

0,0005 * 50 * 20 = 0,5 metros

Dado que el puente se está expandiendo, esto significa que habrá alcanzado una longitud total de:

50,5 metros (50 + 0,5)

Si aplica esta ecuación en tres dimensiones separadas, puede derivar una ecuación para la expansión del área o incluso la expansión total del volumen 3D.

Resumen de la lección

La expansión térmica es donde un objeto se expande y se vuelve más grande debido a un cambio en su temperatura. Una temperatura más alta significa que las moléculas se mueven más rápido en promedio, lo que hace que ocupen más espacio. En consecuencia, los objetos que se calientan aumentan de tamaño.

El cambio de longitud de un objeto se puede calcular usando esta ecuación:

Recuerde que el coeficiente lineal indica cuánto se expande un material en particular, ya que algunos materiales se expanden más que otros.

Revisión de la expansión térmica

• La expansión térmica ocurre cuando un objeto se expande o aumenta de tamaño debido a un aumento en su temperatura.
• La expansión térmica ocurre porque las moléculas calentadas se mueven más rápido y ocupan más espacio.
• El efecto de la expansión térmica en un objeto se puede calcular con la siguiente ecuación:
  

Los resultados del aprendizaje

Debido a que ha estudiado los datos de la lección sobre expansión térmica, posteriormente podría descubrir la capacidad de:

• Detallar el significado y la causa de la expansión térmica.
• Escribe la ecuación para calcular la expansión térmica lineal de un objeto.