DILATACIÓ TÈRMICA: COEFICIENT, TIPUS I EXERCICIS - FÍSICA - 2025

La dilatació tèrmica és l'augment o variació de diverses dimensions mètriques (com per exemple, la longitud o el volum) que pateix un cos o objecte físic. Aquest procés succeeix a causa de l'augment de la temperatura que envolta el material. En el cas de la dilatació lineal, aquests canvis ocorren en una sola dimensió.

El coeficient d'aquesta dilatació es pot mesurar a l'comparar el valor de la magnitud abans i després de l'procés. Alguns materials pateixen el contrari a una dilatació tèrmica; és a dir, la mateixa es torna "negativa". Aquest concepte proposa que alguns materials es contrauen a l'exposar-los a certes temperatures.

Dilatació tèrmica a l'aigua

Quant als sòlids, s'utilitza un coeficient de dilatació lineal per descriure la seva expansió. D'altra banda, per als líquids s'utilitza un coeficient de dilatació volumètric per a realitzar els càlculs.

En el cas dels sòlids cristal·litzats, si el mateix és isomètric la dilatació serà general en totes les dimensions de l'vidre. Si no és isomètric, es podran trobar diferents coeficients de dilatació al llarg de l'vidre, i el mateix canviarà la seva mida a el moment de canviar la temperatura.

Coeficient de dilatació tèrmica

El coeficient de la dilatació tèrmica (I) es defineix com el radi de l'canvi pel que va passar un material a causa de el canvi de la seva temperatura. Aquest coeficient es representa amb el símbol α per als sòlids i β per als líquids, i es guia pel Sistema Internacional d'Unitats.

Els coeficients de dilatació tèrmica varien quan es tracta de sòlid, líquid o gas. Cadascun posseeix una particularitat diferent.

Per exemple, la dilatació d'un sòlid es pot apreciar al llarg d'una longitud. El coeficient volumètric és un dels més bàsics pel que fa a fluids es refereix i els canvis són notables en totes les direccions; aquest coeficient també s'utilitza a l'hora de calcular la dilatació d'un gas.

Dilatació tèrmica negativa

La dilatació tèrmica negativa es presenta en alguns materials que, en lloc d'augmentar la seva grandària amb les altes temperatures, es contrauen a causa de les baixes temperatures.

Aquest tipus de dilatacions tèrmiques sol veure en sistemes oberts on s'observen interaccions direccionals -com succeeix en el cas de l'gel- o en compostos complexos -com succeeix amb algunes zeolites, el Cu2O, entre d'altres.

Així mateix, algunes investigacions han llançat que la dilatació tèrmica negativa també es presenta en gelosies d'un sol component en forma compacta i amb una interacció de força central.

Un clar exemple de la dilatació tèrmica negativa es pot veure quan afegim gel a un got amb aigua. En aquest cas, l'alta temperatura de el líquid sobre el gel no provoca cap augment de grandària, sinó que més aviat es redueix la mida de la mateixa.

tipus

A l'hora de calcular la dilatació d'un objecte físic s'ha de prendre en consideració que, depenent de l'canvi de temperatura, dit objecte pot augmentar o contreure la seva grandària.

Alguns objectes no requereixen d'un canvi dràstic de temperatura per modificar la seva mida, així que és probable que el valor llançat pels càlculs sigui mitjana.

Com tot procés, la dilatació tèrmica es divideix en diversos tipus que expliquen cada fenomen per separat. En el cas dels sòlids, els tipus de dilatació tèrmica són dilatació lineal, dilatació volumètrica i dilatació superficial.

dilatació lineal

A la dilatació lineal predomina una única variació. En aquest cas, l'única unitat que pateix un canvi és l'alçada o l'amplada de l'objecte.

Una manera fàcil de calcular aquest tipus de dilatació és comparant el valor de la magnitud abans de el canvi de temperatura amb el valor de la magnitud després de el canvi de temperatura.

dilatació volumètrica

En el cas de la dilatació volumètrica, la manera de calcular-és comparant el volum de el fluid abans de el canvi de temperatura amb el volum de l'fluid després de el canvi de temperatura. La fórmula per calcular-és:

Dilatació superficial o d'àrea

En el cas de la dilatació superficial, s'observa l'augment de l'àrea d'un cos o objecte a l'haver-hi un canvi en la seva temperatura a 1 ° C.

Aquesta dilatació funciona per als sòlids. Si també es té el coeficient lineal, es podrà observar que la mida de l'objecte serà 2 vegades més gran. La fórmula per calcular-és:

A _f = A ₀

En aquesta expressió:

γ = coeficient de dilatació d'àrea

A ₀ = Àrea inicial

A _f = Àrea final

T ₀ = Temperatura inicial.

T _f = Temperatura final

La diferència entre la dilatació d'àrea i la dilatació lineal és que en la primera es veu un canvi d'augment en l'àrea de l'objecte, i en la segona el canvi és d'una sola mesura d'unitat (com ho pot ser la longitud o el ample de l'objecte físic).

exemples

Primer exercici (dilatació lineal)

Els rails que componen la via d'un tren construït d'acer tenen una longitud de 1.500 m. Quina serà la longitud en el moment en què la temperatura passi de 24 a 45 ° C?

solució

dades:

Lο (longitud inicial) = 1500 m

L _f (longitud final) =?

Tο (temperatura inicial) = 24 ° C

T _f (temperatura final) = 45 ° C

α (coeficient de dilatació lineal corresponent a l'acer) = 11 x 10 ^-6 ° C ^-1

Se substitueixen les dades en la següent fórmula:

Primer, però, cal conèixer el valor de la diferencial de temperatura, per així poder incloure aquesta dada en l'equació. Per aconseguir aquesta diferencial s'ha de restar la temperatura més alta de la més baixa.

At = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C

Un cop conegut aquesta dada és possible utilitzar la fórmula anterior:

Lf = 1500 m (1 + 21 ° C. 11 x 10 ^-6 ° C ^-1)

Lf = 1500 m (1 + 2,31 x 10 ^-4)

Lf = 1500 m (1,000231)

Lf = 1500,3465 m

Segon exercici (dilatació superficial)

En una escola preparatòria una venda de vidre té una àrea de 1.4 m ^ 2, si la temperatura està a 21 ° C. Quina serà la seva àrea final a l'augmentar la temperatura a 35 ° C?

solució

Af = A0

Af = 1,4 m ² 204,4 x 10 ^-6]

Af = 1,4 m ². 1,0002044

Af = 1,40028616 m ²

Per què succeeix la dilatació?

Tots saben que tot material està compost de diverses partícules subatòmiques. A l'alterar la temperatura, bé sigui pujar-la o baixar-la, aquests àtoms comencen un procés de moviment que pot modificar la forma de l'objecte.

Quan es puja la temperatura, les molècules comencen a moure ràpidament a causa de l'augment de l'energia cinètica i, per tant, la forma o volum de l'objecte augmentarà.

En el cas de les temperatures negatives passa el contrari, en aquest cas el volum de l'objecte sol contreure per les baixes temperatures.

referències

1. Dilatació lineal, Superficial, i Volumètrica - Exercicis. Resolts Recuperat el 8 de maig de 2018, de Fisimat: fisimat.com.mx
2. Dilatació superficial - Exercicis Resolts. Recuperat el 8 de maig de 2018, de Fisimat: fisimat.com.mx
3. Thermal Expansion. Recuperat el 8 de maig de 2018, d'Encyclopædia Britannica: britannica.com
4. Thermal Expansion. Recuperat el 8 de maig de 2018, de Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Thermal Expansion. Recuperat el 8 de maig de 2018, de Lumen Learning: courses.lumenlearning.com
6. Thermal Expansion. Recuperat el 8 de maig de 2018, de The Physics Hypertextbook: physics.info
7. Thermal Expansion. Recuperat el 8 de maig de 2018, de Wikipedia: en.wikipedia.org.