Expansión térmica: importancia y ejemplos

¿Qué es la expansión térmica?

Si no fuera por nuestra comprensión de la expansión térmica, los puentes colapsarían, los frascos permanecerían sin abrir durante años y no tendríamos forma de medir la temperatura. Pero en el lado positivo, algunas personas menos se quedarían sin gasolina el próximo verano. ¿Confuso? Todo tendrá sentido después de la lección de hoy.

La expansión térmica es donde los materiales se expanden mientras se calientan, lo que hace que ocupen más espacio. Algunos materiales se expanden más que otros; los metales, por ejemplo, tienden a expandirse mucho. Pero todo esto sucede debido al movimiento de pequeñas moléculas diminutas.

La temperatura es la energía cinética promedio de las moléculas de una sustancia. Eso significa que, si calentamos algo, estamos haciendo que las moléculas se muevan más rápido. Las moléculas que se mueven más rápido tienden a ocupar más espacio y es por eso que los materiales se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían.

Ejemplos de expansión térmica

Bien, veamos algunos ejemplos de expansión térmica. Dije al comienzo de la lección que los puentes colapsarían si no entendiéramos la expansión térmica, y eso es cierto. Los puentes tienen una característica llamada junta de expansión, que contiene pequeños dientes dentados con una tapa en el medio. Si el material del puente se expande y el puente se alarga, los dientes se acercan y, si se contrae, se separan más. Esto permite que el puente cambie de longitud sin él, ya sabes. . . colapsando en un caótico lío de metales rotos y autos cayendo.

¿Otro ejemplo? Abriendo un frasco apretado; cuando no puedes abrir un frasco, ¿qué haces? Bueno, hay muchos trucos. Quizás golpees la tapa del frasco contra el mostrador para romper el sello. Tal vez uses una de esas cosas de goma con agarre, ese es un término técnico. Pero una forma de abrir un frasco hermético es colocando la tapa debajo de un grifo caliente. Esto hace que la tapa se expanda. ¿Pero una tapa expansiva no lo haría más apretado?

Para explicar esto, imagine calentar una pieza de metal con forma de rosquilla. Mmm. . . rosquillas. ¿El agujero de la rosquilla se hace más grande o más pequeño? La gente a veces piensa más pequeño, porque imagina la rosquilla expandiéndose llenando el agujero, pero si la forma completa se expande, el agujero también se agranda. Por lo tanto, si calienta la tapa de un frasco, los espacios entre la tapa y las roscas de vidrio se agrandan, lo que facilita la apertura.

Un termómetro también funciona por expansión. El líquido de un termómetro, que solía ser mercurio, pero ahora suele ser un alcohol de algún tipo, se expande a medida que se calienta y las marcas en el vidrio se calibran para indicarle la temperatura en función de cuánto se expande el líquido.

Bien, un ejemplo más: el indicador de gasolina de un automóvil. Es mucho más probable que las personas se queden sin gasolina en verano que en invierno. ¿Porqué es eso? Bueno, la gasolina de su automóvil se expande, como cualquier otra cosa, y cambia la lectura del indicador de combustible. En verano, la gasolina ocupa más espacio en el tanque, por lo que cuando se lee vacío, queda mucho menos combustible en el tanque que en invierno. Tal vez obtenga 35 millas adicionales después de que se agote en el invierno, pero ese no será el caso en el calor del verano. ¡Así que ten cuidado ahí fuera! No sea el tonto que tiene que caminar cinco kilómetros hasta la gasolinera porque no sabe nada de la expansión térmica.

Ecuación de expansión térmica

La ecuación para la expansión térmica es bastante simple. Esta ecuación representa la cantidad que algo se expande en una dirección. Imagine una barra de metal expandiéndose, por ejemplo … esto le dirá cuánto cambia la longitud de esa barra. Delta- L es el cambio en la longitud del material medido en metros, L es la longitud original del material también medido en metros, delta- T es el cambio en la temperatura que experimenta el material medido en grados Celsius o Kelvin y alfa es el coeficiente de expansión lineal del material, que es solo un número que representa cuánto se expanden los diferentes materiales; puede buscarlo en un folleto de datos y se lo debe proporcionar en una pregunta de examen.

Si desea entrar en dos dimensiones, puede usar casi exactamente la misma ecuación. Simplemente agregue un dos al lado de la ecuación y reemplace las longitudes con áreas en metros al cuadrado. Y si desea averiguar cuánto se expande algo en tres dimensiones, convierta ese dos en un tres y reemplace las áreas con volúmenes. Esa es realmente la única diferencia.

Ejemplo de cálculo

¡Es hora de dar un ejemplo! Veamos cuánto se expande la Torre Eiffel en el transcurso de un año. La Torre Eiffel tiene aproximadamente 300 metros de altura. ¿Cuánto cambia la altura de la estructura entre julio (25 C) y enero (2 C)? Si buscamos el coeficiente de expansión lineal para el hierro forjado, resulta ser 12 * 10 ^ -6.

Mirando la ecuación, para resolver el cambio de longitud, delta- L , todo lo que tenemos que hacer es multiplicar las otras tres variables juntas. Se nos da la mayoría de estas variables. Lo único que no tenemos de inmediato es el cambio de temperatura, pero tenemos las dos temperaturas en julio y enero. El cambio de temperatura será, por tanto, de 25 – 2, lo que equivale a 23 grados Celsius. Así que ahora podemos insertar nuestros números en la ecuación: 12 x 10 ^ -6 multiplicado por 300 multiplicado por 23 nos da 0,083 metros, que son 8,3 centímetros.

Entonces no es mucha expansión, pero es medible. ¡Y ahora ya sabes cómo calcularlo!

Resumen de la lección

La expansión térmica es donde los materiales se expanden mientras se calientan, lo que hace que ocupen más espacio. Algunos materiales se expanden más que otros. Pero todo esto sucede debido al movimiento de pequeñas moléculas diminutas. La temperatura es la energía cinética promedio de las moléculas de una sustancia. Entonces, eso significa que si calentamos algo, estamos haciendo que las moléculas se muevan más rápido. Las moléculas que se mueven más rápido tienden a ocupar más espacio, y es por eso que los materiales se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían.

La expansión térmica es la razón por la que la lectura en los medidores de combustible varía en diferentes épocas del año, la razón por la que los puentes tienen juntas de expansión y la razón por la que el agua caliente en la tapa de un frasco la afloja. Para calcular la cantidad que algo se expande en una dirección particular, tenemos que multiplicar el coeficiente de expansión térmica del material (alfa), por la longitud original del material ( L ) medida en metros, por el cambio de temperatura del material ( delta- T ) medido en grados Celsius o Kelvin.

Los resultados del aprendizaje

Puede esperar realizar estas tareas después de ver esta lección en video:

• Proporcionar la definición de expansión térmica e identificar la causa.
• Reconocer el impacto de la expansión térmica en medidores de combustible, puentes y tapas de jarras.
• Ilustre la ecuación de expansión térmica