Dilatacion lineal superficial y volumetrica

Calculadora de dilatación térmica

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La temperatura es una función monótona de la energía cinética molecular media de una sustancia. Cuando una sustancia se calienta, las moléculas comienzan a vibrar y a moverse más, creando normalmente más distancia entre ellas. Las sustancias que se contraen con el aumento de la temperatura son inusuales, y sólo se dan dentro de rangos de temperatura limitados (véanse los ejemplos siguientes). La expansión relativa (también llamada deformación) dividida por el cambio de temperatura se denomina coeficiente de expansión térmica lineal del material y suele variar con la temperatura. A medida que aumenta la energía de las partículas, éstas comienzan a moverse cada vez más rápido debilitando las fuerzas intermoleculares entre ellas, por lo que la sustancia se expande.

Coeficiente de dilatación lineal

Dado que la fuerza de atracción actúa entre las moléculas de un líquido, la fuerza de contracción actúa en una interfaz entre un líquido y un gas u otro líquido. Esto provoca la tensión superficial y su unidad es N/m.
Para analizar un flujo de sólo agua, no hay que considerar la tensión superficial porque el flujo no tiene una superficie descrita anteriormente; sin embargo, para analizar las gotas que caen en el aire, hay que considerar la tensión superficial porque la forma de las gotas se ve afectada significativamente por la tensión superficial.
A 20°C, la tensión superficial es de aproximadamente 0,0727 [N/m] para el agua y de aproximadamente 0,0320 [N/m] para el aceite de oliva, lo que significa que si se llenan dos vasos con agua y aceite de oliva, respectivamente, la superficie del agua se abomba más que la del aceite de oliva.
Si “un ángulo de contacto es grande”, el sólido no se moja fácilmente y repele bien el agua. Por el contrario, si “un ángulo de contacto es pequeño”, el sólido se moja fácilmente y no repele bien el agua. Por ejemplo, los paraguas y las sartenes recubiertas de flúor tienen ángulos de contacto grandes, y las lentes de contacto tienen ángulos de contacto pequeños. Obsérvese que la facilidad con la que se moja un sólido se describe a veces con el término humectabilidad.

Fórmula del coeficiente de dilatación lineal

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La temperatura es una función monótona de la energía cinética molecular media de una sustancia. Cuando una sustancia se calienta, las moléculas comienzan a vibrar y a moverse más, creando normalmente más distancia entre ellas. Las sustancias que se contraen con el aumento de la temperatura son inusuales, y sólo se dan dentro de rangos de temperatura limitados (véanse los ejemplos siguientes). La expansión relativa (también llamada deformación) dividida por el cambio de temperatura se denomina coeficiente de expansión térmica lineal del material y suele variar con la temperatura. A medida que aumenta la energía de las partículas, éstas comienzan a moverse cada vez más rápido debilitando las fuerzas intermoleculares entre ellas, por lo que la sustancia se expande.

Derivación de la fórmula de expansión lineal

La expansión del alcohol en un termómetro es uno de los muchos ejemplos habituales de expansión térmica, que es el cambio de tamaño o volumen de un sistema determinado al cambiar su temperatura. El ejemplo más visible es la expansión del aire caliente. Cuando el aire se calienta, se expande y se vuelve menos denso que el aire circundante, que entonces ejerce una fuerza (hacia arriba) sobre el aire caliente y hace que el vapor y el humo se eleven, los globos de aire caliente floten, etc. El mismo comportamiento se produce en todos los líquidos y gases, impulsando la transferencia natural de calor hacia arriba en los hogares, los océanos y los sistemas meteorológicos, como veremos en una próxima sección. Los sólidos también experimentan una expansión térmica. Las vías del tren y los puentes, por ejemplo, tienen juntas de dilatación que les permiten expandirse y contraerse libremente con los cambios de temperatura, como se muestra en la figura 1.5.
¿Cuál es la causa subyacente de la dilatación térmica? Como ya se ha dicho, un aumento de la temperatura supone un incremento de la energía cinética de los átomos individuales. En un sólido, a diferencia de lo que ocurre en un gas, las moléculas se mantienen en su sitio gracias a las fuerzas de las moléculas vecinas; como vimos en Oscilaciones, las fuerzas pueden modelarse como en resortes armónicos descritos por el potencial de Lennard-Jones. La energía en el movimiento armónico simple muestra que tales potenciales son asimétricos, en el sentido de que la energía potencial aumenta de forma más pronunciada cuando las moléculas se acercan unas a otras que cuando se alejan. Así, a una energía cinética dada, la distancia recorrida es mayor cuando los vecinos se alejan que cuando se acercan. El resultado es que el aumento de la energía cinética (aumento de la temperatura) incrementa la distancia media entre las moléculas: la sustancia se expande.Para la mayoría de las sustancias en condiciones ordinarias, es una excelente aproximación que no exista una dirección preferida (es decir, que el sólido sea “isotrópico”), y un aumento de la temperatura incrementa el tamaño del sólido en una determinada fracción en cada dimensión. Por lo tanto, si el sólido es libre de expandirse o contraerse, sus proporciones permanecen iguales; sólo cambia su tamaño total.

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