dilatacion calorifica
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La dilatacin calorfica
Al suministrar calor a un cuerpo, ste se dilata, es decir, experimenta un aumento de
volumen. La dilatacin de los materiales es de suma importancia en la construccin de
edificios y en las obras de ingeniera: los arquitectos e ingenieros han de tener muy en
cuenta la dilatacin de las estructuras metlicas, del hormign, etc., dejando siempre
espacios para que sta pueda producirse sin crear tensiones que podran llegar a destruir la
construccin o instalacin.
Dilatacin de slidos
Al calentar un cuerpo slido, ste se dilata siempre segn sus tres dimensiones. Sin
embargo, si se trata de un cuerpo que tiene forma alargada, por ejemplo, un alambre o
una barra prismtica de seccin pequea, la dilatacin es predominantemente lineal,
mientras que si tiene forma plana, por ejemplo, una plancha, la dilatacin es
predominantemente superficial, y si tiene forma de paraleleppedo habr que considerar su
aumento de volumen, esto es su dilatacin cbica.
Existen sustancias que no tienen las mismas propiedades en las tres direcciones. Por
ejemplo, la madera no tiene las mismas propiedades en la direccin de sus vetas que en
sentido transversal. Estas sustancias se dilatan ms en una direccin que en otras y de
ellas se dice que son sustancias anistropas. Otras sustancias, por ejemplo un bloque de
acero, se dilatan igual en las tres direcciones: son las sustancias istropas.
Lo que interesa en todos los casos es disponer de una ley que nos permita conocer cul
ser la nueva longitud (dilatacin lineal), la nueva superficie (dilatacin superficial) o el
nuevo volumen (dilatacin cbica) del cuerpo que se ha calentado. Estas nuevas
dimensiones dependern, naturalmente, de las dimensiones que tena el cuerpo antes de
calentarlo, de la sustancia con que est hecho y del incremento de temperatura que ha
experimentado.
En el caso de la dilatacin lineal, por ejemplo, de una varilla, experimentalmente puede
comprobarse que, dentro de un margen de temperaturas, el aumento unitario de longitud
(es decir, por unidad de longitud) es directamente proporcional al aumento de
temperatura, siendo el valor de la constante de proporcionalidad ( ) caracterstico de cada
sustancia. Por lo tanto, si llamamos l 0 a la longitud primitiva de la varilla y l 1 a su
longitud despus de la dilatacin, ser:
De acuerdo con la primera expresin, el coeficiente de dilatacin lineal puede definirse
como el alargamiento unitario por cada grado que se eleva la temperatura. Se expresa en
C-1 o en kelvin-1. Por ejemplo, para el acero el valor de este coeficiente es = 1210-6 C-
1, lo que significa que si elevamos 100 C la temperatura de una barra de acero de 1 m de longitud, sta se alargar 1,2 mm.
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El valor del coeficiente de dilatacin lineal vara ligeramente con la temperatura, pero
puede considerarse constante dentro de intervalos de temperatura suficientemente
amplios. Los valores de este coeficiente que acostumbran a usarse son realmente valores
medios.
En el caso de la dilatacin superficial, si las dimensiones primitivas de la placa eran a
metros de ancho y b metros de alto, las nuevas dimensiones sern a + ametros de
ancho y b + b metros de alto. Llamando S a la superficie primitiva y S ' a la nueva, si se
supone el material istropo y de coeficiente de dilatacin lineal , ser:
S= S + S = (a + a).(b + b)
S + S = a.(1 + . t).b.(1 + . t)
S + S = a.b.(1 + . t)2
S + S = a.b.(1 + 2 . t + 2.( t)2)
Teniendo en cuenta que S = ab y que, por ser muy pequeo, el trmino 2.( t)2 es
despreciable frente a los dems trminos, se llega a:
S = S.2 . t = S. . t
Por lo tanto, el coeficiente de dilatacin superficial es el doble del coeficiente de
dilatacin lineal .
Anlogamente, para hallar el valor del coeficiente de dilatacin cbica , consideramos un
paraleleppedo de un material istropo cuyo coeficiente de dilatacin lineal es . Si su
volumen primitivo era S 3 h, podremos escribir:
V + V = (S + S)(h + h)
V + V = S.(1 + 2 . t).h.(1 + t)
V + V = S.h.(1 + 3 . t + 2 2( t)2)
Teniendo en cuenta que V = Sh y que, por ser muy pequeo, el trmino 2 2.( t)2 es
despreciable frente a los dems, se llega a:
V = V.3 . t = V. . t
Por lo tanto, el coeficiente de dilatacin cbica es el triple del coeficiente de dilatacin
lineal .
Dilatacin de lquidos
Los lquidos se dilatan mucho ms que los slidos. Su dilatacin es siempre cbica, puesto
que los lquidos ocupan un determinado volumen. El estudio de esta dilatacin ofrece cierta
complicacin, puesto que un lquido est necesariamente contenido en una vasija y al
calentarlo para que se dilate tambin se calentar y dilatar aqulla. Cabe pues considerar
la dilatacin aparente (D a), que es la que se aprecia observando la elevacin del nivel del
lquido en la vasija, y la dilatacin real (D r), que es la verdadera dilatacin del lquido, la
cual corresponde a la dilatacin aparente ms la dilatacin de la vasija (D v). Por lo tanto,
D r = D a + D v
Asimismo, el coeficiente de dilatacin real del lquido (r) ser la suma de su coeficiente de
dilatacin aparente (a) ms el coeficiente de dilatacin de la vasija (v): r = a + v.
Para averiguar el coeficiente de dilatacin real de un lquido puede utilizarse un
dilatmetro, aparato basado en un dispositivo diferencial que permite medir, para una
misma temperatura, la diferencia de dilatacin entre un lquido cuya dilatacin real se
conoce y el lquido objeto del experimento. Conocido el coeficiente de dilatacin real, se
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puede aplicar una frmula anloga a la de la dilatacin cbica de los slidos:
Los valores de los coeficientes reales de dilatacin de los lquidos son del orden de 100
veces mayores que los de los slidos.
Anomala del agua
Adems de presentar la caracterstica inusual de ser ms densa en la fase lquida que
slida, el agua presenta una dilatacin anmala, ya que al calentarla entre 0 y 4 C se
contrae, es decir, disminuye de volumen en lugar de aumentar. Desde los 4 C en
adelante, se dilata.
Como consecuencia de esta anomala, en el mar, los lagos y los ros, las capas de agua
cuya temperatura es inferior a 4 C ascienden a las posiciones ms elevadas, siendo pues
la capa superficial la ms fra. Cuando esta capa llega a 0 C, se congela y como el hielo
formado, que no se hunde sino que flota sobre el agua, es un mal conductor del calor, las
capas de agua situadas ms abajo quedan preservadas de mayores enfriamientos. As, en
los lugares muy fros, en invierno los ros y los lagos se hielan slo en la superficie,
permaneciendo la masa de agua interior a 4 C, lo que permite que los animales y plantas
acuticos puedan mantenerse con vida.
Dilatacin de gases
Al estudiar la dilatacin de los slidos y los lquidos no se tuvo en cuenta la presin, dado
que sta no tiene incidencia apreciable en el volumen. En el caso de los gases, el volumen
es funcin de la presin y la temperatura, por lo que deben considerarse dos posibilidades:
la dilatacin a volumen constante y la dilatacin a presin constante.
Para estudiar la dilatacin a volumen constante se encierra el gas en el interior de un
recipiente de paredes rgidas, mientras que para estudiar la dilatacin a presin constante,
se mantiene el gas en un recipiente prolongado por un tubo horizontal que contiene un
ndice que impide la salida del gas, pero que se mueve al variar la presin para que sta
permanezca constante.
Louis J. Gay-Lussac (1778-1850) Fsico y qumico francs. Enunci las leyes de la dilatacin de los gases y las leyes volumtricas de combinacin de gases y, junto con Thenard, aisl el sodio y el potasio, y estudi el cloro y el yodo. Introdujo la torre que lleva su nombre usada en la fabricacin de cido sulfrico.
Fuente bibliogrfica: Gran Enciclopedia Interactiva
2007 EDITORIAL OCEANO
Cdigo documento: 175022
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