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Expansión térmica es la variación que se produce en las dimensiones de un cuerpo cuando se somete a una variación de temperatura.
En general, los cuerpos, ya sean sólidos, líquidos o gaseosos, aumentan de tamaño cuando aumentan de temperatura.
Dilatación térmica de sólidos
Un aumento de temperatura hace que aumente la vibración y la distancia entre los átomos que componen un cuerpo sólido. Como resultado, hay un aumento de sus dimensiones.
Dependiendo de la expansión más significativa en una dimensión determinada (largo, ancho y profundidad), la expansión de los sólidos se clasifica en: lineal, superficial y volumétrica.
Dilatación lineal
La expansión lineal tiene en cuenta la expansión que sufre un cuerpo en una sola de sus dimensiones. Esto es lo que sucede, por ejemplo, con un alambre, donde su longitud es más relevante que su grosor,
Para calcular la expansión lineal usamos la siguiente fórmula:
ΔL = L0.α.Δθ
Donde,
L: Variación de longitud (m o cm)
L0: Longitud inicial (m o cm)
α: Coeficiente de expansión lineal (° C-1)
Δθ: Variación de temperatura (° C)
dilatación superficial
La expansión de la superficie tiene en cuenta la expansión que sufre una superficie determinada. Esto es lo que sucede, por ejemplo, con una fina lámina de metal.
Para calcular la expansión de la superficie usamos la siguiente fórmula:
ΔA = A0.β.Δθ
Donde,
ΔA: Variación de área (mdos o cmdos)
LA0: Área inicial (mdos o cmdos)
β: Coeficiente de expansión de la superficie (° C-1)
Δθ: Variación de temperatura (° C)
Cabe señalar que el coeficiente de expansión superficial (β) es igual al doble del valor del coeficiente de expansión lineal (α), es decir:
β = 2. α
Dilatación volumétrica
La dilatación volumétrica resulta del aumento de volumen de un cuerpo, lo que ocurre, por ejemplo, con una barra de oro.
Para calcular la expansión volumétrica usamos la siguiente fórmula:
ΔV = V0.γ.Δθ
Donde,
ΔV: Variación de volumen (m3 o cm3)
V0: Volumen inicial (m3 o cm3)
γ: Coeficiente de expansión volumétrica (° C-1)
Δθ: Variación de temperatura (° C)
Tenga en cuenta que el coeficiente de expansión volumétrica (γ) es tres veces mayor que el coeficiente de expansión lineal (α), es decir:
γ = 3. α
Coeficientes de dilatación lineal
La expansión que sufre un cuerpo depende del material que lo compone. Así, al calcular la expansión, se tiene en cuenta la sustancia de la que está hecho el material, a través del coeficiente de expansión lineal (α).
La siguiente tabla indica los diferentes valores que puede asumir el coeficiente de expansión lineal para algunas sustancias:
| Sustancia | Coeficiente de dilatación lineal (° C-1) |
|---|---|
| Porcelana | 3.10-6 |
| vidrio común | 8,10-6 |
| Platino | 9,10-6 |
| Acero | 11.10-6 |
| Hormigón | 12.10-6 |
| Planchar | 12.10-6 |
| Oro | 15.10-6 |
| Cobre | 17.10-6 |
| Plata | 19.10-6 |
| Aluminio | 22.10-6 |
| Zinc | 26.10-6 |
| Plomo | 27.10-6 |
Dilatación térmica de líquidos
Los líquidos, con pocas excepciones, aumentan de volumen a medida que aumenta su temperatura, al igual que lo hacen los sólidos.
Sin embargo, debemos recordar que los líquidos no tienen forma propia, adquiriendo la forma del recipiente que los contiene.
Por tanto, para líquidos, no tiene sentido calcular ni la expansión lineal ni la superficial, solo la volumétrica.
Así, presentamos a continuación la tabla del coeficiente de expansión volumétrica de algunas sustancias.
| Liquidos | Coeficientes de dilatación volumétrica (° C-1) |
|---|---|
| Agua | 1.3.10-4 |
| Mercurio | 1.8.10-4 |
| Glicerina | 4.9.10-4 |
| Alcohol | 11.2.10-4 |
| Acetona | 14.93.10-4 |
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Ejercicios
1) Un alambre de acero tiene una longitud igual a 20 m cuando su temperatura es de 40 ° C. ¿Cuál será su longitud cuando su temperatura sea igual a 100 ° C? Considere el coeficiente de expansión lineal del acero igual a 11.10-6 ° C-1.
2) Una placa cuadrada de aluminio tiene lados iguales a 3 m cuando su temperatura es igual a 80 ºC. ¿Cuál será la variación de su área si la hoja se somete a una temperatura de 100 ° C? Considere el coeficiente de expansión lineal del aluminio 22.10-6 ° C-1.
3) Una botella de vidrio de 250 ml contiene 240 ml de alcohol a una temperatura de 40 ° C. ¿A qué temperatura comenzará a derramarse el alcohol de la botella? Considere el coeficiente de expansión lineal del vidrio igual a 8.10-6 ° C-1 y el coeficiente de alcohol volumétrico 11.2.10-4 ° C-1.
