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Dilatación térmica de los cuerpos

Salvo contadas excepciones, todos los cuerpos y materiales modifican su tamaño por efecto de la temperatura. Aumentan su tamaño, al aumentar la temperatura y lo disminuyen si esta baja.

Ver: Temperatura y calor

Los átomos de cualquier materia permanecen unidos mediante fuerzas eléctricas. A cierta temperatura, los átomos vibran con determinada frecuencia y amplitud. A medida que aumenta la temperatura, se incrementa la amplitud (desplazamiento máximo) de las vibraciones atómicas, lo cual produce un aumento en las dimensiones de un cuerpo.

Es lo que llamamos

dilatación

El efecto inverso se produce al disminuir la temperatura, y el cuerpo disminuye su tamaño, en lo que se llama

contracción

Dilatación de sólidos

De entre los estados de la materia , es en el estado sólido donde es más difícil observar la dilatación.

Y es en función de las dimensiones que predominan en el cuerpo de que se trate, que podemos distinguir tres casos de dilatación:

1.- Dilatación lineal

Se produce cuando un sólido es marcadamente más largo que alto y ancho.

Ejemplos de cuerpos que se dilatan linealmente son: varillas, alambres, barras, rieles, etcétera.

La dilatación lineal de un cuerpo (ΔL) es directamente proporcional a la longitud inicial (L 0 ) y a la variación de temperatura (ΔT) y viene dada por la expresión:

dilatacion01

Donde:

L f =  longitud final del cuerpo

L 0 = longitud inicial del cuerpo

La unidad de medida de la longitud en el Sistema Internacional (SI) es el metro (m) .

α  = Coeficiente de dilatación lineal. Específico de cada material y representa el alargamiento que ex

perimenta la unidad de longitud de un sólido, cuando su temperatura se eleva 1° K.  Su unidad de medida en el Sistema Internacional (SI) es el °K -1 , aunque también se usa el ºC -1

ΔT = Variación de temperatura que experimenta el cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Kelvin (°K ), aunque también se usa el ºC que se expresa en ºC-1, aunque su valor es el mismo.

dilatacion001
Al calentar un cuerpo, este experimenta una dilatación lineal proporcional a la longitud inicial del mismo y a la variación de temperatura.

Algunos valores típicos del coeficiente de dilatación lineal (α) de sólidos:

Material

Coeficiente dilatación lineal  α (K -1 o ºC -1 )

Plata

3·10-5

Plomo

2,9·10-5

Zinc

2,6·10-5

Aluminio

2,4·10-5

Cobre

1,7·10-5

Oro

1,5·10-5

Vidrio

0,9·10-5

Diamante

0,12·10-5

Cuarzo

0,04·10-5

2.- Dilatación de área o dilatación de superficie

Cuando por efecto de la temperatura un área o superficie se dilata, lo hace incrementando sus dimensiones en la misma proporción. Por ejemplo, una lámina metálica aumenta su largo y ancho, lo que significa un incremento de área. La dilatación de área se diferencia de la dilatación lineal porque implica un incremento de área.

Ejemplos de cuerpos cuyas áreas o superficies se dilatan son: láminas, planchas, etcétera.

La dilatación de área o de superficie de un cuerpo está dada por la expresión:

dilatacion03

Donde:

A f = Área final del cuerpo

A 0 = Área inicial del cuerpo

La unidad de medida para el área en el Sistema Internacional es el metro al cuadrado (m2).

σ = Coeficiente de dilatación de área o de superficie. Específico de cada material y representa el aumento de una unidad de superficie de un sólido, cuando su temperatura se eleva 1° K. Aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin, por comodidad también se usa el ºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación superficial (σ) se expresa en ºC-1, aunque su valor es el mismo.

∆T: Variación de temperatura que experimenta el cuerpo.

Nota:

La relación entre el coeficiente de dilatación lineal (α) y el coeficiente de dilatación superficial (σ) es

dilatacion04

dilatacion05
Al calentar una lámina su temperatura aumenta experimentando una dilatación en toda su área.

3.-- Dilatación volumétrica o cúbica

Y finalmente, está la dilatación volumétrica de un cuerpo tridimensional, que ocurre cuando este es calentado en todas direcciones y se expande también en todas ellas.

La dilatación volumétrica de un cuerpo viene dada por la expresión:

dilatacion06

Donde:

V f = Volumen final del cuerpo.

V 0 = Volumen inicial del cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro al cubo ( m3 )

γ = Coeficiente de dilatación volumétrica o cúbica. Específico de cada material y representa el aumento de una unidad de volumen de un sólido, cuando su temperatura se eleva 1° K. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el °K-1, aunque también se usa el ºC-1

∆T = Variación de temperatura que experimenta el cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin ( K ), aunque también se usa el ºC

Nota:

La relación entre el coeficiente de dilatación lineal (α)  y el coeficiente de dilatación volumétrico (γ) es

γ = 3 α

Aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin, por comodidad también se usa el ºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación volumétrico (γ) se expresa en ºC-1, aunque su valor es el mismo.

dilatacion07
Al calentar un cuerpo con volumen, su temperatura aumenta experimentando una dilatación volumétrica.

Nota:

Para estudiar la variación volumétrica (dilatación) de un gas, ir a Leyes de los gases .

Ir a:

Ejercicios prácticos sobre dilatación térmica.

Fuentes Internet:

http://www.manizales.unal.edu.co/cursofisica/contenido/tiposdilata.htm

http://threefisicboys.blogspot.cl/2016_04_01_archive.html

Ver:

http://es.slideshare.net/guestc24ded4/temperatura-y-dilatacion

Materias