DILATACION DE LA MATERIA POR EL CALOR

DILATACION DE LA MATERIA POR EL CALOR.

La dilatación o expansión térmica es un aumento de volumen que experimentan los materiales, ante un aumento de temperatura. Así un material calentado aumenta de volumen porque el calor lo dilata.

La dilatación obedece a varias leyes de acuerdo con el estado de la materia: sólido, líquido o gas, ya que los efectos de dilatación no son iguales para los tres estados físicos.

Dilatación de los sólidos.

La materia en estado sólido se caracteriza por tener forma, volumen propio y estructura cristalina. Por consiguiente, es resistente a la deformación. Los sólidos pueden fundir por el calor. Para el hielo a los 0ºC. Algunos materiales alcanzan el punto de fusión a los 3500ºC.

La dilatación de los sólidos tiene efecto en sus tres dimensiones: longitud, ancho y grosor. De ellos, el aumento de longitud, puede ser con frecuencia el más importante y la dilatación en volumen basarse en la dilatación lineal, excluyendo las otras dimensiones por sus posibilidades de medición y efecto.

Dentro de expansiones normales por temperatura, los sólidos, de estructura homogénea, se dilatan uniformemente. El alargamiento de una barra de hierro por el calor como ejemplo, será proporcional al aumento de temperatura, como será también proporcional a la longitud de la barra.

Sin embargo, los índices de dilatación variarán según del material que esté formada la barra.

Coeficiente de dilatación lineal.
El coeficiente de expansión lineal varía en los sólidos en función de la temperatura. El aumento por el cual la unidad de longitud de una sustancia se dilata cuando su temperatura aumenta en un grado, es lo que se conoce con el nombre de coeficiente de dilatación lineal, que permitirá calcular y conocer el alargamiento experimentado.
Inestabilidad por dilatación.
La expansión térmica lineal, es de gran importancia en la extinción de incendios. Los materiales estructurales: acero, hormigón, aluminio, etc., mantienen importantes características de dilatación que se traducen en comportamientos al fuego. El coeficiente de dilatación de muchos elementos estructurales implica deformaciones y pérdidas de resistencia que se traducen en desplomes y hundimientos, lo que equivale en algunos incendios a reconsiderar las situaciones.

Algunos valores típicos de coeficientes de dilatación lineal, son:
Entre 0-100ºC [en grados ºC]
Hierro: 0.0000123.
Hormigón prensado: 0.000012.
Aluminio: 0.0000237.
Plomo: 0.0000289.
Cobre: 0.000162.
Cuarzo fundido: 0.000006.
Vidrio: de 0.0000018 a 0.0000090.

Cálculos por incendios, y pruebas de laboratorio, indican que la madera es uno de los elementos con mayor resistencia a la dilatación estructural. Ello se debe a que la madera es muy mala conductora del calor. En análisis de comparación con el acero, da el siguiente resultado:

coeficientes de dilatación [dirección longitudinal]
madera: (pino) 4.10 a la menos 6. acero: (no-protegido) 12.10 a la menos 6.

o sea que entre ambos elementos, el coeficiente de dilatación del acero es tres veces mayor.

La temperatura ambiental origina que la Torre Eiffel de París con 300 m de altitud, sea 7,2 cm más alta en verano que en invierno: suponiendo entre ambas estaciones anuales una diferencia de temperatura de 20ºC.

Descenso del coeficiente de dilatación.
Las aleaciones son elementos metálicos que contienen en su forma más de un metal y uno o más no metálicos.

Algunas aleaciones están preparadas de modo que su estructura permanece inalterable en tamaño o medida en presencia de temperaturas fluctuantes.

La principal aleación de este tipo es la de hierro - níquel que contiene un 40-50 % de níquel. Estas aleaciones conocidas con la voz inglesa de invar, tienen un coeficiente de dilatación muy bajo - una aleación con 36% de níquel, su coeficiente de expansión lineal es de 0.0000001 por ºC, es decir, menos del 1 por ciento en comparación con el acero.

Las aleaciones invar y otras parecidas son empleadas en la industria, de varias formas. La manufactura de mecanismos para aparatos de medición, relojería, etc., se hace con estas aleaciones, con objeto de que la temperatura no pueda sensibilizarles. Estos mecanismos deben mantener una función precisa e inalterable en márgenes de temperatura.
Dilatación cúbica.

La dilatación de los sólidos en todas direcciones se denomina dilatación cúbica.

Este fenómeno se observa mediante el sencillo experimento de hacer pasar una bola de metal por un anillo o aro del mismo material. Si se calienta la bola por una llama, no podrá atravesar el aro. Prácticamente está demostrado, que el coeficiente de dilatación cúbica es el triple del coeficiente de dilatación lineal para una misma superficie. De la misma forma, el coeficiente de dilatación superficial o de área, es dos veces el del coeficiente lineal. Igualmente un sólido hueco se dilatará como si fuera compacto. Calentados a la misma temperatura el aro y la bola, ésta continuará pasando a través del aro.
Dilatación de líquidos.
En general la dilatación de los líquidos es superior a la de los sólidos, ya que las fuerzas de cohesión molecular son menores.
Como los líquidos tienen volumen pero no forma ya que se adaptan al recipiente que les contiene, sólo se considera la dilatación cúbica, como única forma permanente. Además como la dilatación de un líquido es afectada por la dilatación del recipiente, la expansión aparente siempre será menor que la expansión real.
Coeficiente de expansión.
La dilatación de los líquidos por el calor se utiliza para medir la temperatura. El coeficiente de dilatación para el mercurio por ejemplo, es de 0,00019/ºC. Para el alcohol es de 0,0011/ºC. La dilatación térmica del mercurio es aproximadamente de 7,5 veces mayor que la del vidrio. En cambio la del alcohol es casi 50 veces mayor que la del vidrio. Mientras el coeficiente de dilatación cúbica del acero es de 0,000036/ºC los de la mayoría de líquidos es del orden de 0,0001/ºC o sea unas 30 veces mayor.
Dilatación del agua.
El agua es un líquido que se dilata de forma más irregular. Al contrario de lo que ocurre con la mayoría de sustancias, se contrae cuando aumenta su temperatura.

La dilatación del agua es negativa desde 0ºC a 4ºC - o sea que el volumen del agua disminuye cuando se calienta entre estas temperaturas -, y después es positiva.

Si a 0ºC el agua se calienta, en lugar de dilatarse se contraerá, adquiriendo mínimo volumen, máxima contracción y densidad. Al alcanzar los 4ºC de temperatura, comenzará a dilatarse y a los 8ºC tendrá el mismo volumen que tenía a 0ºC de temperatura. Entre 30-50ºC la dilatación térmica del agua es doble que entre 10-30ºC.

Sin embargo, hay que considerar a los líquidos en general frente al comportamiento de dilatación, en formas constantes de temperatura.
Dilatación de gases.
Cuando mayor es el aumento de temperatura que experimenta un gas, tanto mayor es el volumen que tiende a ocupar. Ello es debido a que la fuerza de cohesión molecular de los gases, es menor que la de los líquidos y sólidos y en consecuencia la dilatación es mayor. También por ello, el estado gaseoso es más asequible al estudio de las variaciones de temperatura.
Temperatura y presión.
Al ser débil la atracción molecular, los gases no tienen forma como los sólidos y completan el volumen del recipiente que los contiene a diferencia de los líquidos.

La natural fuerza expansiva de los gases aumenta con la temperatura y por tanto el volumen libre del gas aumentará también.

Si el gas está delimitado o encerrado en un recipiente y sus paredes son resistentes, el gas no podrá aumentar de volumen y entonces aumentará de presión. Si el calor exterior es aumentado, también aumentará la presión interna del recipiente.
Efectos de dilatación.

Al ser los gases más expansibles que los líquidos y los sólidos, mientras en éstos las variaciones de presión no tienen apenas influencia, en su volumen, en los gases los cambios de presión tienen importancia fundamental.

Las condiciones que definen el estado de una cantidad de gas, son: volumen - presión - temperatura, a que éste se encuentra.
Expansión y compresión.
Para una determinada masa de gas constante, las tres variables: volumen- presión - temperatura, mantienen siempre la misma relación. Así cuando la temperatura de un gas se mantiene constante, su volumen varía inversamente a la presión que sobre él se aplique.

Cuando más volumen alcance la misma masa de gas, igualmente a presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen también debe aumentar. Igualmente, a volumen constante, al aumentar la temperatura, aumentará la presión.