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La Dilatación Térmica

Publicado por Monica González

Un cambio en la temperatura puede alterar el valor de las grandezas de un cuerpo, tales como: la presión de un gas, el color de un metal, la resistencia eléctrica de un conductor de electricidad, la altura de una columna de mercurio, etc. (En la construcción de termómetros, esas grandezas son usadas como grandezas termométricas.)

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Usted está ahora empezando el estudio de la dilatación térmica, estudio ese que trata de las dimensiones de un cuerpo bajo variación de la temperatura. Mas allá de la construcción de termómetros, la dilatación térmica permite un sin número de aplicaciones, entre esas podemos ejemplificar la lamina bimetálica empleada en dispositivos de seguridad contra incendios y en llaves automáticas (relé termostático) que desconectan un circuito eléctrico cuando ocurre una indeseable elevación de la temperatura.

Cuando la temperatura sube, la lámina bimetálica se encorva por razón de las dilataciones de sus dos láminas, constituidas por materiales distintos.

Otra aplicación de la dilatación térmica es el remache de chapas metálicas. Experiencias muestran que los orificios de las chapas aumentan cuando sufren elevación de temperatura. Los orificios, con diámetro menor que el de los remaches, son calentados y sufren dilatación, permitiendo así los encajes. Cuando las chapas se enfrían, los orificios se contraen y se pegan firmemente a los remaches.

A menudo, por lo tanto, la dilatación térmica de los cuerpos puede ocasionar daños. Es lo que pasa, por ejemplo, cuando las vías del ferrocarril quedan deformadas después de una gran elevación de la temperatura. En ese caso, las juntas de dilatación (pequeños espacios entre trechos de la via) fueron insuficientes.

DILATACIÓN LINEAL

El dibujo muestra una barra metálica en dos temperaturas distintas:

Se puede ver, experimentalmente, que:

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La constante de proporcionalidad que transforma esa relación en una igualdad es el coeficiente de dilatación lineal del material α con el cual fue hecha la pieza. Asi tenemos:

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Se observa también que el aumento ΔS en el área de una superficie que presenta variaciones en la temperatura es directamente proporcional a su área inicial So  y a su correspondiente variación de temperatura Δt.

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La constante de proporcionalidad es el coeficiente de dilatación superficial β para que

β = 2 α

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DILATACIÓN VOLUMÉTRICA

Usando el mismo razonamiento anterior, introduzcamos el coeficiente de dilatación volumétrica, tendremos

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En seguida tendremos

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DILATACIÓN ANÓMALA DEL AGUA

La gran mayoría de los líquidos sufren dilatación con el aumento de la temperatura y contracción cuando la temperatura disminuye. Pero el ÁGUA constituye una anomalía del comportamiento general entre 0ºC y 4ºC, veamos:

A partir de 0ºC en la medida que la temperatura aumenta, el agua sufre contracción, pero esa contracción no sigue cuando llega a 4ºC; a partir de esa temperatura el agua empieza a dilatarse.

Así siendo, el agua llega a un volumen mínimo a 4ºC y en esa temperatura su densidad es máxima.

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DILATACIÓN APARENTE DE LOS LÍQUIDOS

“En la mayor parte de los casos los líquidos sufren una dilatación mayor que la de los recipientes que los contienen.”

Consecuentemente, si a una cierta temperatura el recipiente está completamente lleno, cuando calentamos el conjunto habrá un desborde de parte del líquido contenido en el recipiente. A este volumen de líquido desbordado damos el título de DILATACIÓN APARENTE DEL LÍQUIDO

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