- Conceptes bàsics relacionats amb la dilatació tèrmica
- energia tèrmica
- calor
- temperatura
- Quines són les propietats bàsiques de la dilatació tèrmica?
- Quina és la causa fonamental de la dilatació tèrmica?
- dilatació lineal
- dilatació superficial
- dilatació volumètrica
- exemples
- Bibliografia
La dilatació volumètrica és un fenomen físic que implica una variació en les tres dimensions d'un cos. El volum o les dimensions de la majoria de les substàncies incrementen quan són sotmeses a calor; aquest és un fenomen conegut com dilatació tèrmica, però també hi ha substàncies que es contrauen a l'escalfar-se.
Tot i que els canvis de volum són relativament petits per a sòlids, són de gran importància tècnica, principalment en situacions on es vol unir materials que s'expandeixen de manera diferent.
La forma d'alguns sòlids pateix distorsió a l'escalfar-se i poden expandir-se en algunes direccions i contreure en unes altres. No obstant això, quan només hi ha dilatació en un determinat nombre de dimensions, hi ha una classificació per a tals expansions:
- La dilatació lineal passa quan predomina la variació en una dimensió en particular, com el llarg, ample o alt de el cos.
- La dilatació superficial és aquella on predomina la variació en dues de les tres dimensions.
- Finalment, la dilatació volumètrica implica una variació en les tres dimensions d'un cos.
Conceptes bàsics relacionats amb la dilatació tèrmica
energia tèrmica
La matèria està formada per àtoms que es troben en moviment continu, ja sigui traslladant o vibrant. L'energia cinètica (o de moviment) amb la qual els àtoms es mouen s'anomena energia tèrmica, entre més ràpid es moguin, major energia tèrmica posseeixen.
calor
La calor és l'energia tèrmica transferida entre dos o més substàncies o des d'una porció de substància a una altra a escala macroscòpica. Això vol dir que un cos calent pot cedir part de la seva energia tèrmica i afectar un cos proper a ell.
La quantitat d'energia tèrmica transferida depèn de la naturalesa de el cos proper i de el mitjà que els separa.
temperatura
El concepte de temperatura és fonamental per estudiar l'efecte de la calor, la temperatura d'un cos és la mesura de la seva habilitat per transferir calor a altres cossos.
Dos cossos en contacte mutu o separats per un mitjà adequat (conductor de calor) estaran a la mateixa temperatura si no hi ha flux de calor entre tots dos. De la mateixa manera, un cos X es trobarà a una temperatura major que la d'un cos I si la calor flueix de X a Y.
Quines són les propietats bàsiques de la dilatació tèrmica?
Clarament està relacionada amb un canvi de temperatura, a major temperatura major expansió. També depèn de l'estructura interna de l'material, en un termòmetre, l'expansió de l'mercuri és molt més gran que l'expansió de l'vidre que el conté.
Quina és la causa fonamental de la dilatació tèrmica?
Un increment en la temperatura implica un increment en l'energia cinètica dels àtoms individuals en una substància. En un sòlid, a diferència d'un gas, els àtoms o molècules es troben estretament junts, però la seva energia cinètica (en forma de petites i ràpides vibracions) separa entre si als àtoms o molècules.
Aquesta separació entre àtoms veïns es fa cada vegada més gran i dóna com a resultat un augment de mida de l'sòlid.
Per a la majoria de les substàncies en condicions ordinàries, no hi ha una direcció preferent en la que passi la dilatació tèrmica, i l'augment de la temperatura incrementarà la mida de l'sòlid per una certa fracció en cada dimensió.
dilatació lineal
L'exemple més simple de dilatació és l'expansió en una dimensió (lineal). Experimentalment es troba que el canvi de longitud ΔL d'una substància és proporcional a el canvi de temperatura At i la longitud inicial El (Figura 1). Podem representar això de la següent manera:
DL = aLoDT
on α és un coeficient de proporcionalitat denominat coeficient de dilatació lineal i és característic de cada material. Alguns valors d'aquest coeficient es mostren a la taula A.
El coeficient de dilatació lineal és més gran per a materials que experimenten una major expansió per cada grau centígrad que s'eleva la seva temperatura.
dilatació superficial
Quan es pren un pla dins d'un cos sòlid, de manera que aquest pla és el que pateix l'expansió tèrmica (Figura 2), el canvi en l'àrea ΔA està donat per:
DA = 2aA0
on ΔA és el canvi en l'àrea inicial Ao, T és el canvi en la temperatura i α és el coeficient de dilatació lineal.
dilatació volumètrica
A l'igual que en els casos anteriors, el canvi en el volum ΔV es pot aproximar amb la relació (Figura 3). Aquesta equació usualment s'escriu de la següent manera:
DV = bVoDT
on β és el coeficient de dilatació volumètrica i és aproximadament igual a 3α Λα τα ßλα 2 es mostren els valors dels coeficients d'expansió volumètrica per a alguns materials.
En general, les substàncies s'expandiran sota un increment de temperatura, l'aigua és l'excepció més important a aquesta regla. L'aigua s'expandeix a l'augmentar la seva temperatura quan aquesta és més gran que 4ºC.
No obstant això, també s'expandeix a l'disminuir la seva temperatura en l'interval de 4ºC a 0ºC. Aquest efecte pot observar-se quan es posa aigua dins d'un refrigerador, l'aigua s'expandeix a l'congelar i és difícil extreure el gel del seu contenidor per aquesta expansió.
exemples
Les diferències en la dilatació volumètrica pot conduir a efectes interessants en una estació de gasolina. Un exemple és el degoteig de gasolina en un tanc que acaba de ser omplert durant un dia calorós.
La gasolina refreda el tanc d'acer quan és abocada, i tots dos, gasolina i tanc es dilaten amb la temperatura de l'aire circumdant. No obstant això, la gasolina es dilata molt més ràpid que l'acer, i d'aquesta manera es produeix un degoteig fora de l'tanc.
La diferència de dilatació entre la gasolina i el tanc que la conté pot provocar problemes a l'llegir l'indicador de el nivell de combustible. La quantitat de gasolina (massa) que queda en un tanc quan l'indicador arriba a nivell de buit és molt menor a l'estiu que a l'hivern.
La gasolina té el mateix volum en les dues estacions quan la llum d'advertència s'encén, però a causa de que la gasolina es dilata durant l'estiu, té una menor massa.
Com a exemple, es pot considerar un tanc de gasolina d'acer ple, amb una capacitat de 60L. Si la temperatura de l'tanc i gasolina és de 15ºC, quanta gasolina es vessarà en el moment en què assoleixin una temperatura de 35ºC?
El tanc i gasolina augmentaran de volum per l'increment de temperatura, però la gasolina augmentarà més que el tanc. De manera, que la gasolina vessada serà la diferència dels seus canvis de volum. Es pot utilitzar llavors l'equació de dilatació volumètrica per calcular els canvis de volum:
El volum vessat per l'increment de la temperatura és llavors:
Combinant aquestes 3 equacions en una, es té:
De la taula 2 s'obtenen els valors de coeficient de dilatació volumètric, substituint valors:
Tot i que aquesta quantitat de gasolina vessada és relativament insignificant en comparació d'un tanc de 60 L, l'efecte és sorprenent, ja que la gasolina i l'acer s'expandeixen molt ràpid.
Bibliografia
- Ien Ho Cho, Taylor R. Thermal Expansió of Solids ASM International, 1998.
- H. Ibach, Hans Lüth Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Material Science Springer Science & Business Media, 2003.
- Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, Volume 1. Wiley, 2001.
- Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elements of Classical Physics Elsevier, 2013.
- Zemansky Mark W. Calor i Termodinàmica. Editorial Aguilar, 1979.