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Expansión y contracción térmica

Publicado el 23 agosto, 2021

¿Qué es la expansión térmica?

Imagínese en un espacio abierto, sillas colocadas en un área determinada. Todas las sillas se llenan y todos se sientan uno al lado del otro. Todos conviven de manera muy armoniosa, ocupando ese espacio ambientado. Ahora imagina una mofeta apareciendo debajo de la silla derecha en cuclillas en el medio. ¿Qué va a pasar? Lo has adivinado, ¡todos saldrán de la silla y se esparcirán por todas partes! La multitud se expandirá.

De esto se trata en gran medida la expansión térmica . A cierta temperatura, los átomos dentro de un material van a ocupar un espacio determinado. Este espacio establecido define los límites de ese material. Los átomos están en constante movimiento, rebotando entre sí, pero a esa temperatura específica se mueven y rebotan entre sí en ese espacio establecido. Cuando calienta ese material, los átomos se agitan. Se mueven más rápido. Cuanto más alta es la temperatura, más rápido se mueven. Empiezan a rebotar entre sí con más frecuencia y con más fuerza. Empiezan a necesitar más espacio para convivir y lo consiguen. Amplían el espacio en el que existen; ampliar los límites del material que componen. Lo que acaba pasando es que el propio material se expande.

Los sólidos, líquidos y gases se expanden cuando se calientan. Los diferentes materiales se expanden a diferentes velocidades, aunque una regla general es que los líquidos y gases se expanden a velocidades más altas que los sólidos.

¿Qué es la contracción térmica?

La contracción térmica es lo opuesto a la expansión térmica. Cuando la temperatura desciende, los átomos se calman y se encogen. No rebotan tan agresivamente entre sí y no necesitan tanto espacio para coexistir. Cuando se encogen, los límites del material se encogen. Los contratos materiales.

La mayoría de los sólidos, líquidos y gases se contraen cuando se enfrían. Una excepción notable es el agua. El agua es un elemento mágico que se expande en el punto de congelación. El agua líquida se contrae cuando se enfría y es de esperar que continúe contrayéndose a medida que se enfría. Cuando alcanza el punto de congelación y se convierte en sólido, se expande. Es por eso que las tuberías de agua pueden estallar cuando el agua del interior se congela. El hielo ocupa más espacio que el agua líquida.

Formas de medir la expansión térmica

Hay tres tipos básicos de expansión térmica:

  • Expansión térmica lineal
  • Expansión térmica del área
  • Expansión térmica volumétrica

La expansión térmica lineal solo se usa para sólidos e indica una expansión en una dimensión. Imagínese una cinta métrica sacada para medir medio metro. Agarra la cinta métrica y sácala para medir un metro. Así es como se ve la expansión lineal.

La expansión térmica del área indica expansión en dos dimensiones. Digamos que dibuja un cuadrado en una hoja de papel. Luego, alrededor de su cuadrado original, dibuja otro cuadrado con lados dos veces más largos. Si su cuadrado más pequeño se expandiera en dos dimensiones, terminaría pareciendo su segundo cuadrado.

La expansión térmica volumétrica indica expansión en tres dimensiones, como un globo en el que se sopla más aire.

Por lo tanto, medir la expansión térmica lineal, de área o volumétrica le da una idea de cómo reacciona su material a un cambio de temperatura. Si su medida de expansión térmica es un valor negativo, eso significa que su material se contrajo.

Coeficiente de expansión termal

El coeficiente de expansión térmica es una constante que se calcula experimentalmente. Cada material tiene un cierto coeficiente de expansión térmica. Puede encontrar tablas largas que enumeran los coeficientes de varios materiales. Estos coeficientes especifican el cambio porcentual en la longitud, el área o el volumen del material por grado de cambio de temperatura.

Por ejemplo, el ladrillo tiene un coeficiente lineal de expansión térmica de 0,0000058 pulgadas de expansión por pulgada de material por grado Fahrenheit. Digamos que tiene un bloque de ladrillo de 1 pulgada de largo. Lo que dice el coeficiente es que si la temperatura aumenta 1 Fahrenheit, ¡el ladrillo se alargará 0.0000058 pulgadas! Si el ladrillo tenía originalmente 2 pulgadas de largo, entonces será 2 x 0,000058 pulgadas más largo; o 0,000106 pulgadas más largo. Si su ladrillo de 1 pulgada está expuesto a un aumento de temperatura de 2 Fahrenheit, también aumentará 0,000106 pulgadas.

Resumen de la lección

Revisemos. La expansión térmica ocurre cuando se calienta un material y éste gana más energía interna. Los átomos dentro del material se mueven más rápido y el material se expande. La contracción térmica ocurre cuando enfrías el material y los átomos no tienen tanta energía. Lo que pasa son los contratos materiales.

Puede medir esta expansión y contracción en una, dos o tres dimensiones.

  • Un cambio unidimensional se llama expansión térmica lineal .
  • Un cambio bidimensional se denomina expansión térmica de área .
  • Un cambio tridimensional se llama expansión térmica volumétrica .

Los diferentes materiales se expanden y contraen de manera diferente, y existen coeficientes de expansión térmica para diferentes materiales. El coeficiente térmico mide el porcentaje de cambio en longitud, área o volumen por grado de cambio de temperatura.

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