¿En qué consiste la Expansión Térmica?

¡Querida comunidad científica de Hive blog, reciban todos un cordial saludo! Continuando con las publicaciones sobre calor y temperatura llegamos a un tema nuevo como lo es la expansión térmica.

Cuando la temperatura de una sustancia o de un objeto se incrementa, sus moléculas se agitan, aumentando la distancia media que las separa. El resultado es la expansión de la sustancia u objeto; con muy pocas excepciones, la materia se dilata cuando se calienta y se contrae cuando se enfría.

El fenómeno de expansión, como resultado del aumento de temperatura, es usualmente tomado en cuenta en las construcciones civiles y otras aplicaciones de la vida cotidiana. Un ejemplo de ello lo podemos ver cuando se pavimenta un piso, es normal dejar juntas de expansión entre los cuadros del mismo, con el fin de evitar que se resquebraje al dilatarse el cemento. Cuando no se toma en cuenta esta precaución, se producen grietas en el piso fácilmente observables, debido a la fractura del cemento.

Cuando la tapa de un frasco se encuentra muy apretada, a menudo da resultado calentar la tapa, esto se hace con finalidad que la tapa se expanda y pueda ser removida con mayor facilidad.

La expansión de las sustancia por efecto de la temperatura depende del tipo de sustancia. Por ejemplo los gases se expanden más fácilmente que los líquidos y estos a su vez, más fáciles que los sólidos, esto tomando en cuenta que se encuentren en las mismas condiciones de temperatura.

No obstante, el coeficiente térmico de expansión lineal mide la dilatación de un material en una sola dimensión. Para cambios relativamente pequeños de temperatura, la expansión lineal es proporcional a la diferencia de temperatura inicial (Ti) y final (T) del material.

Si observamos la imagen que se presenta posteriormente, veremos que se trata de una barra rectangular, la cual tiene una temperatura inicial Ti, una longitud Li. Cuando la temperatura se incrementa un valor ΔT = T – Ti, la barra se expande linealmente, por lo que la diferencia de longitud viene dada por:

El cambio de longitud, con respecto a la longitud inicial, está relacionado con el cambio de temperatura mediante la fórmula:

Donde α es el coeficiente térmico de expansión lineal. Ahora si despejamos el valor de ΔL, obtenemos que:

Y luego nos queda:

α se expresa en unidades inversas de temperatura, 1/ºC o 1/ºF, en la tabla que se presenta a continuación podemos visualizar algunos valores de α para ciertos materiales de 20 ºC.

Ahora bien, si en este momento consideramos una lámina cuadrada de lado L, y suponemos que se dilata con el mismo coeficiente de expansión lineal en sus dos direcciones, el área de la lámina dilatada puede escribirse como:

Si usamos la siguiente expresión:

Desarrollando la expresión anterior, tenemos que:

Como el valor de α suele ser muy pequeño, y elevarlo al cuadrado se convierte en casi nada, entonces lo podemos despreciar.

Como

Entonces, finalmente obtenemos:

El valor de 2α corresponde al coeficiente térmico de expansión superficial y su valor es el doble del coeficiente lineal.

De una forma similar, puede demostrarse que, en el caso de la dilatación volumétrica, el volumen final de un objeto viene dado por la expresión:

Donde 3α es el coeficiente térmico de expansión volumétrica.

Ahora bien ya vimos como se comportan los sólidos cuando ocurre una expansión térmica, pero existe una sustancia fundamental en la vida, esta sustancia es el agua. Normalmente, las sustancias se expanden cuando aumenta la temperatura y se comprimen cuando esta baja. Sin embargo, el agua presenta un comportamiento anómalo cerca de su punto de congelación. Si, a partir de 100 ºC, se baja la temperatura, el volumen se hace más pequeño, y su valor desciende hasta que la temperatura alcanza un valor de 4 ºC. A partir de allí el volumen se incrementa y en 0 ºC se alcanza un volumen aun mayor. Como el volumen aumenta, la densidad (d = m/V) del agua disminuye y, por lo tanto, el hielo resultante puede flotar sobre el estado liquido. Esta es la causa por la que el hielo flota en el agua.

Del interesante tema desarrollado podemos llegar las siguientes conclusiones:

• La expansión térmica es la tendencia de los materiales a cambiar su volumen progresivamente con el aumento de la temperatura.
• Los gases son los elementos que se expanden con mayor facilidad.
• Los líquidos, se expanden con mayor facilidad que los sólidos, pero menor que los gases.
• Existen tres tipos de expansión de sólidos, estos son: Expansión lineal, superficial y volumétrica.
• La propiedad anómala del agua ayuda a preservar la fauna y la flora en aquellas regiones donde se alcanzan temperaturas muy bajas. En dichas zonas, los ríos y lagos se congelan solamente en la superficie; el hielo que se forma se queda en la parte superior del cuerpo del agua, por poseer menos densidad que el agua que queda por debajo.

Figuera, J. (2009). Física, Texto y problemario. Caracas: Ediciones CO-BO.

Figueroa, D. (2008). Fluidos y Termodinámica. Caracas: Douglas Figueroa.

Serway, R & Jewett, J. (2005). Física para Ciencias e Ingenierías, Volumen II. México: International Thomson Editores, S.A

Nota: Todos los diagramas y ecuaciones presentados en esta publicación son diseñados y editados por mi persona utilizando elementos e imágenes del programa Microsoft Power Point.