Expansión Térmica: Ecuación y ejemplos

¿Qué es la expansión térmica?

La expansión térmica es el efecto de los cambios de temperatura al alterar el área, el volumen y la forma de la materia. La energía cinética promedio de las partículas en un artículo se mide por la temperatura. La velocidad de estas partículas aumenta a medida que aumenta la temperatura. Cuando la temperatura es alta, la materia tiende a expandirse. El material ocupa más espacio cuando se expande; y esto es extremadamente obvio en los metales. Cuando se calienta un determinado material, las moléculas dentro del material se mueven tan rápido que crean espacios entre las moléculas. Esto conduce a la expansión del material. Expansión significa crecer en tamaño. La expansión por calor se reconoce en líquidos, gases y sólidos.

Ejemplos de expansión térmica

Hay ejemplos del mundo real de expansión y contracción térmica en la vida diaria.

• Un puente está formado por elementos que se expanden y contraen con las fluctuaciones de temperatura. Cuando la temperatura aumenta, los materiales se expanden. Por otro lado, cuando la temperatura baja, el material se contrae. Si los materiales del puente, como las estructuras compuestas, de hormigón y de acero, se expanden y contraen, el puente colapsará. Por lo tanto, se debe tener en cuenta la expansión térmica durante la construcción de puentes. Las características de la junta de expansión del puente aseguran que el puente no colapsaría con el aumento y la disminución de la temperatura. La longitud del puente se ajusta y la expansión y contracción ocurren sin agrietarse. Las juntas de dilatación son huecos o dientes-estructuras que se encuentran entre las estructuras. Cuando la temperatura aumenta, los dientes entran en contacto entre sí y se reduce el espacio. Al bajar la temperatura,
• Otro ejemplo es poner un frasco congelado bajo agua caliente del grifo para abrirlo. El frasco está apretado porque el plomo y los hilos están cerca uno del otro. Al colocar el frasco congelado bajo agua caliente, aumenta el movimiento de las moléculas, lo que aumenta el espacio entre la tapa y la rosca, lo que permite que el frasco se abra más fácilmente.
• El calentamiento de un disco de metal en forma de rosquilla con un agujero es otro ejemplo. El agujero crece con el calentamiento porque el disco con su agujero se expande, lo que lleva a un aumento en el diámetro del agujero. Entonces, los agujeros y fisuras dentro del disco se expanden al mismo ritmo que el objeto mismo.
• Los espaciadores de corredera se agregan a las ventanas con marcos de metal para evitar la expansión del metal durante las altas temperaturas.
• Las grietas encontradas en la calzada se deben a dilataciones y contracciones térmicas.
• La expansión por calor también conduce a la comba de los cables eléctricos.
• La expansión térmica de los gases se reconoce en los globos. Cuando un globo se pone en agua caliente, el globo se expande y aumenta de tamaño. Esto se debe a que el calor hace que las moléculas gaseosas choquen, lo que lleva a la expansión del globo.
• El aire de los neumáticos de los automóviles se calienta a altas temperaturas, lo que provoca un aumento del tamaño y la presión del neumático.
• La gasolina en los coches se expande en verano. Esto afecta la lectura del indicador del tanque; ya que cuando el tanque está casi vacío, hay significativamente menos gasolina en el tanque que en el invierno.

Un puente construido sobre rodillos para resistir la expansión térmica.

Ecuación de expansión térmica

La ecuación de expansión térmica es fácil de usar. Se utiliza para pronosticar el cambio en la longitud de ciertos materiales en respuesta a un cambio de temperatura conocido. El cambio puede ser en longitud, área o volumen. Como se muestra en las fórmulas dadas:

Ecuación de expansión térmica

Para longitud (una dimensión):

• Delta L: Este es el cambio de longitud del material antes y después de la expansión. Se mide en metros.
• L inicial: Es la longitud inicial del material, que se mide en metros.
• Delta de temperatura: Este es el cambio de temperatura y se mide en Celsius o Kelvin.
• Alfa: este es el coeficiente de expansión lineal del material, que es básicamente un número que muestra la cantidad de expansión de un material.

Para área (dos dimensiones):

• Delta A: El cambio en el área del material antes y después de la expansión. Se mide en metros cuadrados.
• A inicial: Es el área inicial del material y se mide en metros cuadrados.
• Delta de temperatura: Este es el cambio de temperatura y se mide en Celsius o Kelvin.
• Alfa: El coeficiente de expansión térmica del área del material, que es básicamente un número que muestra la cantidad de expansión de un material.
• Suma de dos al lado de la ecuación debido a las dos dimensiones.

Para volumen (tres dimensiones):

• Delta V: Es el cambio en el volumen del material antes y después de la expansión y se mide en metros cúbicos.
• V inicial: Es el volumen inicial del material y se mide en metros cúbicos.
• Delta de temperatura: Este es el cambio de temperatura y se mide en Celsius o Kelvin.
• Alfa: El coeficiente de expansión térmica volumétrica del material, que es básicamente un número que muestra la cantidad de expansión de un material.
• Suma de tres al lado de la ecuación debido a las tres dimensiones.

Este ejemplo demuestra cómo calcular la expansión lineal de un material:

Un cobre utilizado en cableado y motores tiene una longitud de 12 metros a 25 grados centígrados durante la primavera. El cobre se pone a 50 grados Celsius durante el verano. El coeficiente de dilatación térmica del cobre es 16,7. ¿Cuánto se expande la longitud del cobre a 50 grados centígrados?

• Temperatura Delta = 50-25 = 25 grados Celsius
• Longitud inicial= 12 metros
• Coeficiente de dilatación térmica del cobre = 16,7

Aplicando estos datos a la ecuación: Longitud delta = 12*16,7*25 =0,17 = 5010 metros, que es igual a 50,1 cm.

Expansión Térmica de Líquidos

La expansión térmica de los líquidos se debe al movimiento de las partículas dentro del líquido. La vibración y el movimiento de los átomos y la ruptura de los enlaces entre los átomos conducen a la expansión del líquido. La expansión térmica del líquido es mayor que la de los sólidos porque los enlaces en el líquido están menos limitados que en el sólido. Un ejemplo de expansión líquida incluye la expansión del alcohol y el mercurio por calentamiento, razón por la cual se usan en termómetros. Cuando el mercurio o el alcohol se exponen a altas temperaturas, se expanden. Se expanden hasta cierta marca en el cristal del termómetro y se lee la temperatura.

El principio del termómetro basado en la expansión del líquido donde el mercurio se expande a alta temperatura dando diferentes lecturas.

Resumen de la lección

El impacto de los cambios de temperatura en el área, el volumen y la forma de la materia se conoce como expansión térmica. La temperatura mide la energía cinética promedio de las partículas en un objeto. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de estas partículas. Cuando la temperatura aumenta, la sustancia se expande.

Cuando se extiende un material, ocupa espacio adicional, lo que se nota especialmente en los metales. Hay varios ejemplos de expansión térmica. En sólidos, un puente se derrumbará si los componentes, como las construcciones compuestas, de hormigón y de acero, se expanden y comprimen. Como resultado, se debe considerar la expansión térmica durante la construcción del puente.

Las características de la junta de expansión del puente garantizan que el puente no colapsa cuando las temperaturas suben y bajan. Para abrir un frasco congelado, páselo por agua caliente. Debido a que el plomo y los hilos están tan juntos, el frasco está bastante apretado. Cuando se exponen al agua caliente, la movilidad de las moléculas aumenta, aumentando el espacio entre la tapa y la rosca, permitiendo que el frasco se abra fácilmente. El calentamiento de un disco de metal en forma de rosquilla con un agujero es otro ejemplo.

El diámetro del agujero crece a medida que se desarrolla el agujero debido a la expansión del disco. Como resultado, los agujeros y fisuras dentro del disco se expanden al mismo ritmo que el propio objeto. La expansión térmica del gas se nota en los globos. Cuando un globo se coloca en agua caliente, se expande y crece de tamaño. Esto se debe a que el calor hace que las moléculas gaseosas choquen, lo que hace que el globo se expanda. Debido a que el alcohol y el mercurio se expanden cuando se calientan, se emplean en termómetros. Cuando se exponen a altas temperaturas, el mercurio y el alcohol se expanden. Se expanden hasta cierto punto en el cristal del termómetro y se lee la temperatura.