UNIDAD III: DILATACIÓN Dilatación de sólidos. Binomio de ... - unne

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FISICA II 2008 TEMA III JUAN J CORACEUNIDAD III: DILATACIÓNDilatación de sólidos. Binomio de dilatación lineal. Interpretación de los fenómenos dedilatación térmica. Esfuerzos desarrollados por la dilatación en una viga. DilataciónSuperficial. Dilatación en líquidos. Método para determinar el valor del coeficiente dedilatación cúbica absoluto. Dilatación en gases. Generalización del fenómeno de dilatación.Problemas de aplicación.INTRODUCCIÓNLos efectos más comunes que ocasionan las variaciones de temperatura en los cuerpos osustancias, son los cambios de sus dimensiones y los cambios de fase. Nos referiremos alos cambios de dimensiones de los cuerpos sin que se produzcan cambios de fase.Llamamos dilatación al cambio de dimensiones que experimentan los sólidos, líquidos ygases cuando se varía la temperatura, permaneciendo la presión constante. La mayoría delos sistemas aumentan sus dimensiones cuando se aumenta la temperatura.DILATACIÓN DE LOS SÓLIDOSLa dilatación es el cambio de cualquier dimensión lineal del sólido tal como su longitud, altoo ancho, que se produce al aumentar su temperatura. Generalmente se observa ladilatación lineal al tomar un trozo de material en forma de barra o alambre de pequeñasección, sometido a un cambio de temperatura, el aumento que experimentan las otrasdimensiones son despreciables frente a la longitud. Si la longitud de esta dimensión lineales L o, a la temperatura t o y se aumenta la temperatura a t, como consecuencia de estecambio de temperatura, que llamaremos ∆t se aumenta la longitud de la barra o delalambre produciendo un incremento de longitud que simbolizaremos como ∆LExperimentalmente se encuentra que el cambio de longitud es proporcional al cambio detemperatura y la longitud inicial. L o . Podemos entonces escribir:∆L ∝ L o . ∆t o bien que ∆L =α ot . L o . ∆tfigura 3.1.Donde α es un coeficiente de proporcionalidad, que denominado “coeficiente de dilataciónlineal ”, y que es distinto para cada material. Por ejemplo: Si consideramos que el1

FISICA II 2008 TEMA <strong>III</strong> JUAN J CORACE<strong>UNIDAD</strong> <strong>III</strong>: DILATACIÓNDilatación <strong>de</strong> sólidos. <strong>Binomio</strong> <strong>de</strong> dilatación lineal. Interpretación <strong>de</strong> los fenómenos <strong>de</strong>dilatación térmica. Esfuerzos <strong>de</strong>sarrollados por la dilatación en una viga. DilataciónSuperficial. Dilatación en líquidos. Método para <strong>de</strong>terminar el valor <strong>de</strong>l coeficiente <strong>de</strong>dilatación cúbica absoluto. Dilatación en gases. Generalización <strong>de</strong>l fenómeno <strong>de</strong> dilatación.Problemas <strong>de</strong> aplicación.INTRODUCCIÓNLos efectos más comunes que ocasionan las variaciones <strong>de</strong> temperatura en los cuerpos osustancias, son los cambios <strong>de</strong> sus dimensiones y los cambios <strong>de</strong> fase. Nos referiremos alos cambios <strong>de</strong> dimensiones <strong>de</strong> los cuerpos sin que se produzcan cambios <strong>de</strong> fase.Llamamos dilatación al cambio <strong>de</strong> dimensiones que experimentan los sólidos, líquidos ygases cuando se varía la temperatura, permaneciendo la presión constante. La mayoría <strong>de</strong>los sistemas aumentan sus dimensiones cuando se aumenta la temperatura.DILATACIÓN DE LOS SÓLIDOSLa dilatación es el cambio <strong>de</strong> cualquier dimensión lineal <strong>de</strong>l sólido tal como su longitud, altoo ancho, que se produce al aumentar su temperatura. Generalmente se observa ladilatación lineal al tomar un trozo <strong>de</strong> material en forma <strong>de</strong> barra o alambre <strong>de</strong> pequeñasección, sometido a un cambio <strong>de</strong> temperatura, el aumento que experimentan las otrasdimensiones son <strong>de</strong>spreciables frente a la longitud. Si la longitud <strong>de</strong> esta dimensión lineales L o, a la temperatura t o y se aumenta la temperatura a t, como consecuencia <strong>de</strong> estecambio <strong>de</strong> temperatura, que llamaremos ∆t se aumenta la longitud <strong>de</strong> la barra o <strong>de</strong>lalambre produciendo un incremento <strong>de</strong> longitud que simbolizaremos como ∆LExperimentalmente se encuentra que el cambio <strong>de</strong> longitud es proporcional al cambio <strong>de</strong>temperatura y la longitud inicial. L o . Po<strong>de</strong>mos entonces escribir:∆L ∝ L o . ∆t o bien que ∆L =α ot . L o . ∆tfigura 3.1.Don<strong>de</strong> α es un coeficiente <strong>de</strong> proporcionalidad, que <strong>de</strong>nominado “coeficiente <strong>de</strong> dilataciónlineal ”, y que es distinto para cada material. Por ejemplo: Si consi<strong>de</strong>ramos que el1


FISICA II 2008 TEMA <strong>III</strong> JUAN J CORACEincremento <strong>de</strong> temperatura, ∆t = 1ºC y la longitud inicial <strong>de</strong> una cierta pieza, L o = 1 cmconsecuentemente el alargamiento será: ∆L = α.1cm .1ºCSi efectuamos el análisis dimensional, advertimos que las unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> α, estarán dadas por :α = cm / cm. ºC = 1/ºC o bien ºC -1 ( grado -1 ); luego:1 ⎛ ∆L⎞α = ⎜ ⎟L 0 ⎝ ∆t⎠Operativamente, si <strong>de</strong>signamos L o a la longitud entre dos puntos <strong>de</strong> un cuerpo o <strong>de</strong> unabarra a la temperatura <strong>de</strong> 0 ºC y L la longitud a la temperatura t ºC po<strong>de</strong>mos escribir que:∆L = L – L o y ∆t = t – 0 = t ºC Luego L – L o = α ot. L o t[3.1]De don<strong>de</strong> α ot = L – L o . 1 [3.2]L oA α ot se le <strong>de</strong>nomina coeficiente <strong>de</strong> dilatación lineal entre las temperaturas 0 y t, su valor,como se expresó anteriormente, es característico <strong>de</strong> la naturaleza <strong>de</strong> las sustancias queforma el sólido.La experiencia <strong>de</strong>muestra que el coeficiente <strong>de</strong> dilatación lineal <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la temperatura.Se pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>finir el coeficiente <strong>de</strong> dilatación lineal medio “α t ”, como "el aumento queexperimenta la unidad <strong>de</strong> longitud inicial, que se encuentra a una temperatura t cualquiera,cuando se aumenta en un grado dicha temperatura”, por eso este coeficiente <strong>de</strong> dilataciónmedio, <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>rá <strong>de</strong>l incremento <strong>de</strong> temperatura. El coeficiente <strong>de</strong> dilatación lineal medio auna temperatura “ t ”, pue<strong>de</strong> ser <strong>de</strong>ducido a partir <strong>de</strong> la ecuación [3.1]tα1L∆L. = lim∆t∆t→01 ∆L. ⇒ αt=L ∆t1L= lim.t t0→t101tDon<strong>de</strong>:α ot = f(t) coeficiente <strong>de</strong> dilatación o expansión linealα t = f(∆t) coeficiente <strong>de</strong> dilatación lineal medio a una temperatura tResumiendo:α ot = L – L o . 1 y α t = L – L o . 1 a presión constanteL o t o L o tdLdt[3.3]En general α t es igual al inverso <strong>de</strong> la longitud inicial por dl/dt, a presión constante. Don<strong>de</strong>el cociente diferencial dl/dt, representa la <strong>de</strong>rivada <strong>de</strong> la longitud con respecto a la2


FISICA II 2008 TEMA <strong>III</strong> JUAN J CORACEtemperatura a P = cte y α t será el coeficiente <strong>de</strong> dilatación lineal real a cualquiertemperatura t.omo la longitud <strong>de</strong>l sólido es función <strong>de</strong> la temperatura: representando gráficamente dichafunción resulta que α t es el coeficiente angular <strong>de</strong> la recta tangente a la curva L = f(t) en elpunto <strong>de</strong> abscisa t, dividido por la longitud correspondiente a dicha temperatura, figura 3.2figura 3.2Estrictamente hablando, como se ha visto, el valor <strong>de</strong> α <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> temperatura, sinembargo su variación es muy pequeña y ordinariamente <strong>de</strong>spreciable <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> ciertoslímites <strong>de</strong> temperatura, o intervalos que para ciertos materiales no tienen mayor inci<strong>de</strong>ncia.Si <strong>de</strong>spejamos L <strong>de</strong> la ecuación [3.2]L - L o = α ot . L o .tL = L o + α ot . L o .tL = L o ( 1 +α ot . t )si la temperatura inicial fuera t 0 ≠ 0ºCL = Lo ( 1 +α . ∆t ) [3.4]<strong>de</strong>nominándose “<strong>Binomio</strong> <strong>de</strong> dilatación lineal “ al factor (1 + α.∆t) [3.5]Rescribiendo esta fórmula obtenemos1 ⎛ ∆L⎞α = ⎜ ⎟L ⎝ ∆T⎠[3.6]3


FISICA II 2008 TEMA <strong>III</strong> JUAN J CORACE<strong>de</strong> modo que α, representa el cambio fraccional <strong>de</strong> la longitud por cada cambio <strong>de</strong> un gradoen la temperatura.Hablando rigurosamente, el valor <strong>de</strong> α <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la, temperatura real y <strong>de</strong> la temperatura<strong>de</strong> referencia que se escoja para <strong>de</strong>terminar L. Sin embargo, casi siempre se pue<strong>de</strong> ignorarsu variación, comparada con la precisión necesaria en las medidas <strong>de</strong> la ingeniería.Po<strong>de</strong>mos, con bastante seguridad, suponerla como una constante in<strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong> latemperatura en un material dado. En la Tabla 1 se presenta un <strong>de</strong>talle <strong>de</strong> los valoresexperimentales <strong>de</strong>l coeficiente <strong>de</strong> dilatación lineal promedio <strong>de</strong> sólidos comunes.Tabla 1: Valores* <strong>de</strong> αSUSTANCIA α ºC -1 SUSTANCIA α ºC -1Plomo 29 x 10 -6 Aluminio 23 x 10 -6Hielo 52 x 10 -6 Bronce 19 x 10 -6Cuarzo 0,6 x 10 -6 Cobre 17 x 10 -6Hule duro 80 x 10 -6 Hierro 12 x 10 -6Acero 12 x 10 -6 Latón 19 x 10 -6Mercurio 182 x 10 -6 Vidrio (común) 9 x 10 -6Oro 14 x 10 -6 Vidrio (pirex) 3.3 x 10 -6* En el intervalo <strong>de</strong> 0ºC a 100ºC, excepto para el hielo, que es <strong>de</strong>s<strong>de</strong> – 10ºC a 0ºC.En todas las sustancias <strong>de</strong> la tabla, el cambio en el tamaño consiste en una dilatación alcambiar la temperatura, ya que α es positiva. El or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> la magnitud es alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 1milímetro por metro <strong>de</strong> longitud en un intervalo Celsius <strong>de</strong> 100 grados.INTERPRETACION DE LOS FENOMENOS DE DILATACION TERMICAPara compren<strong>de</strong>r la dilatación, es conveniente visualizar el fenómeno a nivel microscópico,la expansión térmica <strong>de</strong> un sólido sugiere un aumento en la separación promedio entre losátomos en el sólido. La curva <strong>de</strong> energía potencial <strong>de</strong> átomos contiguos en un sólidocristalino, en función <strong>de</strong> su separación internuclear, es <strong>de</strong> trazado asimétrico, como la que seindica en la Figura 3.3. Conforme los átomos se van aproximando, su separacióndisminuye respecto <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong> equilibrio r o , entonces intervienen fuerzas repulsivasintensas y la curva <strong>de</strong> potencial aumenta rápidamente, recor<strong>de</strong>mos que el valor <strong>de</strong> dichafuerza está dado por la expresión: F = - dU/dr. Conforme los átomos se alejan, sus4


FISICA II 2008 TEMA <strong>III</strong> JUAN J CORACEseparaciones aumentan respecto <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong> equilibrio y entonces intervienen fuerzas untanto más débiles y la curva <strong>de</strong> potencial aumenta <strong>de</strong> una manera más lenta. Para unaenergía vibracional dada, la separación <strong>de</strong> los átomos cambiará periódicamente <strong>de</strong> un valormínimo a uno máximo y la separación promedio será mayor que la separación <strong>de</strong> equilibrio,<strong>de</strong>bido a la naturaleza asimétrica <strong>de</strong> la curva <strong>de</strong> energía potencial. Cuando la energíavibracional es mayor aún, la separación promedio será también más gran<strong>de</strong>. El efecto esaumentado por el hecho <strong>de</strong> que al tomar el promedio temporal <strong>de</strong>l movimiento, se <strong>de</strong>betomar en cuenta el mayor tiempo transcurrido en las separaciones extremas (en don<strong>de</strong> larapi<strong>de</strong>z vibracional es menor). Debido a que la energía vibracional aumenta conforme lohace la temperatura, la separación promedio entre los átomos aumenta con la temperaturay el sólido como un todo se expan<strong>de</strong>. Recor<strong>de</strong>mos, que la energía potencial molecular, sepue<strong>de</strong> expresar como la suma <strong>de</strong> las energías cinética media, rotacional y vibracional:E m = E kmed + E r + E v,Don<strong>de</strong> E kmed , representa la energía cinética media, E r , la energía rotacional, y E v la energíavibracional.figura 3.3Debemos hacer notar que si la curva <strong>de</strong> Energía potencial fuese simétrica en torno a laseparación <strong>de</strong> equilibrio, la separación promedio correspon<strong>de</strong>ría a la separación <strong>de</strong>equilibrio, sin importar que tan gran<strong>de</strong> fuese la amplitud <strong>de</strong> la vibración. Por lo tanto, laexpansión térmica es una consecuencia directa <strong>de</strong> la <strong>de</strong>sviación <strong>de</strong> la simetría (es <strong>de</strong>cir, <strong>de</strong>la asimetría) <strong>de</strong> la curva <strong>de</strong> energía potencial característica <strong>de</strong> los sólidos.Algunos sólidos cristalinos pue<strong>de</strong>n contraerse, en ciertas regiones <strong>de</strong> temperatura, conformela temperatura aumenta. El análisis anterior sigue siendo válido sólo si se supone queúnicamente existen modos <strong>de</strong> vibración compresional, (es <strong>de</strong>cir, longitudinales) y que esos5


FISICA II 2008 TEMA <strong>III</strong> JUAN J CORACEmodos son predominantes. Sin embargo, los sólidos pue<strong>de</strong>n vibrar en modos transversales(es <strong>de</strong>cir, cortantes) al igual que en modos vibracionales y esto permiten que el sólido secontraiga con los aumentos <strong>de</strong> la temperatura, disminuyendo con ello la separaciónpromedio <strong>de</strong> los planos atómicos. En ciertos tipos <strong>de</strong> estructura cristalina, y en ciertasregiones <strong>de</strong> temperatura, estos modos transversales <strong>de</strong> vibración pue<strong>de</strong>n predominar sobrelos longitudinales, dando lugar a un coeficiente <strong>de</strong> expansión térmica total negativo.Existe por lo tanto una relación directa entre las fases y la estructura molecular, o dicho <strong>de</strong>otro modo una relación directa entre el estado <strong>de</strong> agregación y la energía potencialmolecular, y como consecuencia también entre la energía vibracional y la dilatación.Físicamente tiene importancia esta relación entre el coeficiente <strong>de</strong> expansión o dilatacióncon la estructura atómica o molecular. Debemos aclarar que los mo<strong>de</strong>los microscópicospresentados son una sobresimplificación <strong>de</strong> un fenómeno mucho más complejo, que pue<strong>de</strong>tratarse con mayor <strong>de</strong>talle al relacionar la termodinámica y la teoría cuántica.El cambio porcentual <strong>de</strong> la longitud <strong>de</strong> muchos sólidos, llamados isotrópicos, asociados conun cambio dado <strong>de</strong> la temperatura, es el mismo sobre cualquier línea <strong>de</strong>l sólido. Ladilatación es totalmente análoga a una amplificación fotográfica, excepto en que el sólido estridimensional. Si tenemos una lámina <strong>de</strong>lgada en la que se practica un orificio, el cambio∆L / L = α∆Τ para una ∆T dada es el mismo para la longitud, el espesor, la diagonal <strong>de</strong> unacara, la diagonal <strong>de</strong>l cuerpo y el diámetro <strong>de</strong>l orificio. Cualquier línea, sea recta o curva, sealarga en la relación α por aumento <strong>de</strong> un grado <strong>de</strong> temperatura. Si se escribe un nombrerayando la lámina, la línea que representa dicho nombre tiene el mismo cambio fraccional <strong>de</strong>figura 3.4 Imagen fotográfica <strong>de</strong> una misma regla graduada a diferentes temperaturas t a < t blongitud que cualquier otra línea. En la Figura 3.4 se muestra la analogía con unaamplificación fotográfica. Si observamos la regla <strong>de</strong> acero <strong>de</strong> la Figura 3.4, a dostemperaturas diferentes, la regla a) a una temperatura t o y la regla b) a una temperatura t 1 , tal6


FISICA II 2008 TEMA <strong>III</strong> JUAN J CORACEque t 1 > t o . En la dilatación, todas las dimensiones aumentan en la misma proporción: laescala, los números, el orificio y el espesor aumentan todos en el mismo factor, (la dilataciónmostrada, está obviamente exagerada, ya que correspon<strong>de</strong>ría a un aumento imaginario <strong>de</strong>unos 100 000 ºC en la temperatura. Teniendo en cuenta estas i<strong>de</strong>as, podríamos <strong>de</strong>mostrarcon un alto grado <strong>de</strong> precisión, que el cambio fraccional en el área A por cada cambio <strong>de</strong> ungrado en la temperatura en un sólido isotópico es 2α, es <strong>de</strong>cir:∆A = 2α. A.∆t, [3.7]y que el cambio fraccional en volumen V por cada cambio <strong>de</strong> un grado <strong>de</strong> temperatura en uncuerpo isotrópico es 3α, es <strong>de</strong>cir,∆V= 3α.V.∆t [3.8]ESFUERZOS DESARROLLADOS POR LA DILATACIÓN EN UNA VIGASi la barra <strong>de</strong> la Figura E, está fija en uno <strong>de</strong> sus extremos, por ejemplo empotrada, a causa<strong>de</strong> la dilatación térmica, se <strong>de</strong>sarrollan esfuerzos en la misma, que se <strong>de</strong>ben tener encuenta para los cálculos <strong>de</strong>l diseño <strong>de</strong> la pieza o <strong>de</strong> su instalación.La <strong>de</strong>formación en la barra <strong>de</strong>bido a las tensiones <strong>de</strong>sarrolladas pue<strong>de</strong> ser expresada como,δ =F L.0A.E= ∆L[3.9]Don<strong>de</strong> F es la fuerza que actúa en la sección <strong>de</strong> la barra, L o es la longitud original, A es elárea <strong>de</strong> la sección y E es el módulo <strong>de</strong> elasticidad <strong>de</strong>l material <strong>de</strong> la barraFigura 3.5Si a la relación F/A se expresa como σ (sigma) ;σ. L0∆L=[3.10]E7


FISICA II 2008 TEMA <strong>III</strong> JUAN J CORACESi consi<strong>de</strong>ramos la dilatación <strong>de</strong>bido a la temperatura, ∆L = α ot .L o .t [3.11]e igualando las expresiones [3.10] y [3.11], tendremos:σ.LE0 = α 0t. L0.ty finalmente σ = α ot . E.t [3.12]Las tensiones <strong>de</strong>sarrolladas a causa <strong>de</strong> una variación <strong>de</strong> temperatura, son directamenteproporcionales al coeficiente <strong>de</strong> dilatación, al módulo <strong>de</strong> elasticidad y a la temperatura.DILATACION SUPERFICIALCuando tomamos un plano <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> un cuerpo sólido, <strong>de</strong> modo que el área <strong>de</strong> la superficie<strong>de</strong> dicho plano esta dada por la expresión: S = L 1 .L 2 , se <strong>de</strong>termina que:S t = S o ( 1 +2α.t), [3.13]Con ( 1 +2α. t) llamado binomio <strong>de</strong> dilatación superficialSi S = L 1 .L 2L 1SL 2figura 3.6<strong>de</strong>rivando a S respecto <strong>de</strong> t:dS dL2dL= L L11. +2.dt dt dtdividimos m.a. m.por S1SdS L1=dt L . L12dL.dt2+LL L122dL.dt18


FISICA II 2008 TEMA <strong>III</strong> JUAN J CORACEqueda:1SdSdt=1L2dL.dt2+1 dL1.L dt1Observando el segundo miembro se pue<strong>de</strong> establecer que:Integrando entre S o y S t1 dS= α2+ α1S dtdS = 2α. S.dtPor ser isótropo α 1 =α 2 =αSt∫ dS = 2αSSot∫odtS t = S o ( 1 +2α t), [3.14]con ( 1 + 2α. t) como binomio <strong>de</strong> dilatación superficial.(Como ejercitación se propone <strong>de</strong>mostrar para un sólido, ∆V = 3αV o ∆Τ, tal que el coeficiente<strong>de</strong> dilatación volumétrico β = 3 α L )DILATACIÓN EN LÍQUIDOSComo la forma <strong>de</strong> un fluido no está <strong>de</strong>finida, solamente tiene sentido hablar <strong>de</strong>l cambio <strong>de</strong>lvolumen con la temperatura. La respuesta <strong>de</strong> los gases a los cambios <strong>de</strong> temperatura o <strong>de</strong>presión es muy notable, en tanto que el cambio en el volumen <strong>de</strong> un líquido, para cambiosen la temperatura o la presión, es muy pequeño. β representa el coeficiente <strong>de</strong> dilataciónvolumétrica <strong>de</strong> un líquido,1 ⎛ ∆V⎞β = ⎜ ⎟[3.15]V ⎝ ∆T⎠Los líquidos se caracterizan por dilatarse al aumentar la temperatura, siendo su dilataciónvolumétrica unas diez veces mayor que la <strong>de</strong> los sólidos.Sin embargo, el líquido más común, el agua, no se comporta como los otros líquidos. En lafigura F, se muestra la curva <strong>de</strong> dilatación <strong>de</strong>l agua. Se pue<strong>de</strong> notar que, entre 0 y 4ºC elagua líquida se contrae al ser calentada, y se dilata por encima <strong>de</strong> los 4ºC, aunque nolinealmente. Sin embargo, si la temperatura <strong>de</strong>crece <strong>de</strong> 4 a 0ºC, el agua se dilata en lugar9


FISICA II 2008 TEMA <strong>III</strong> JUAN J CORACE<strong>de</strong> contraerse. Dicha dilatación al <strong>de</strong>crecer la temperatura no se observa en ningún otrolíquido común; se ha observado en ciertas sustancias <strong>de</strong>l tipo <strong>de</strong> la goma y en ciertossólidos cristalinos en intervalos <strong>de</strong> temperatura muy limitados, un fenómeno similar. La<strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong>l agua tiene un máximo a 4ºC, don<strong>de</strong> su valor* es <strong>de</strong> 1 000 kg/m 3 . A cualquierotra temperatura su <strong>de</strong>nsidad es menor. Este comportamiento <strong>de</strong>l agua es la razón por laque en los lagos se congela primero la superficie, y es en <strong>de</strong>finitiva lo que hace posible lavida subacuática.figura 3.7Esta propiedad es importante en la ingeniería, recor<strong>de</strong>mos que los dos fluidos másimportantes para un ingeniero son el agua y el aire, el primero prácticamente incompresible yel segundo sensiblemente compresible.Como el líquido carece <strong>de</strong> forma propia, solo pue<strong>de</strong> tener sentido hablar <strong>de</strong> dilatación cúbica,pues sus dimensiones <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n <strong>de</strong>l recipiente que lo contiene, observándose un ascenso<strong>de</strong>l nivel <strong>de</strong>l fluido <strong>de</strong>bido a que en general, los líquidos se dilatan más que los sólidas y enparticular, que el vidrio.-En consecuencia. Para <strong>de</strong>terminar la dilatación absoluta o verda<strong>de</strong>ra <strong>de</strong> un líquido se <strong>de</strong>beráconsi<strong>de</strong>rar la dilatación que experimenta el recipiente que lo contiene. Si V o es el volumenque ocupa el fluido a la temperatura <strong>de</strong> 0 ºC, es evi<strong>de</strong>nte que <strong>de</strong>berá ser V o o V ro , si seaumenta la temperatura en t ºC, el volumen verda<strong>de</strong>ro <strong>de</strong>l líquido a esa temperatura, será:V t = V o ( 1 + β r .t ),volumen verda<strong>de</strong>ro <strong>de</strong>l líquido10


FISICA II 2008 TEMA <strong>III</strong> JUAN J CORACEV rt = V ro ( 1 + β r . t),volumen <strong>de</strong>l recipiente dilatadoV rt – V t = V ro .β r . t = ∆V r , diferencia <strong>de</strong> volumenComo el volumen aparente es menor que el volumen verda<strong>de</strong>ro que ocupa el líquido <strong>de</strong>bidoa que el recipiente se ensancha al dilatarse, por lo tanto el nivel <strong>de</strong>l liquido disminuye, elvolumen verda<strong>de</strong>ro <strong>de</strong>l líquido a temperatura t será la suma <strong>de</strong>l volumen aparente medidomas el aumento <strong>de</strong>l volumen que experimenta el recipiente.V t = V ot + ∆V r [3.16]Si reemplazo en cada término <strong>de</strong> esta igualdad sus correspondiente expresionesequivalentes, tendremos:V o ( 1 + β r .t ) = V ao ( 1 + β a .t ) + V ro ( 1 + β r .t )Como los volúmenes iniciales a 0 ºC son iguales al <strong>de</strong>l recipiente V o = V ao = V ro , simplificandoV o , la unidad y la temperatura, se tendrá:β v = β a + β r [3.17]o sea el coeficiente <strong>de</strong> dilatación cúbica absoluto o verda<strong>de</strong>ro <strong>de</strong> un líquido es igual a lasuma <strong>de</strong> los coeficientes aparente y <strong>de</strong>l recipiente que lo contieneMÉTODO PARA DETERMINAR EL VALOR DE β VAnteriormente concluimos que: V t = V o ( 1 + β.∆t) , y consi<strong>de</strong>rando el volumen como larelación <strong>de</strong> la masa sobre la <strong>de</strong>nsidad V = m / δ, reemplazando en la expresión anterior:(m/δ) t = (m/δ) o (1 + β.∆t) ⇒ δ t = δ o / (1 + β.∆t) ⇒ aplicando el principio fundamental <strong>de</strong> lahidrostática:δt. h t = δo.h o ⇒ β = 1/∆t.( h o /ht – 1 )expresión que me permite calcular el coeficiente <strong>de</strong> dilatación cúbica <strong>de</strong> un liquidoin<strong>de</strong>pendientemente <strong>de</strong> la dilatación <strong>de</strong>l recipiente que lo contieneDILATACION EN GASESPara el caso <strong>de</strong> un gas, correspon<strong>de</strong> algunas consi<strong>de</strong>raciones:El coeficiente β ν = 1/V o .(∆V/∆T) P = 1/T o = 1/ 273,16 K,si t o = 0ºC, ⇒ T o = 273,16 K, esto físicamente significa que a 0ºC el volumen <strong>de</strong> un gasaumenta 0,3661 % por cada grado <strong>de</strong> temperatura a presión constante.Haciendo uso <strong>de</strong>l mismo procedimiento, es fácil verificar que el coeficiente <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong>l gasa volumen constante, será:11


FISICA II 2008 TEMA <strong>III</strong> JUAN J CORACEβ ρ = 1/P o .(∆P/∆T) v = 1/T oβ ν y β ρ son iguales para la mayoría <strong>de</strong> los gases que toman valores muy próximos a losvalores <strong>de</strong> los gases i<strong>de</strong>ales, es <strong>de</strong>cir aquellos en que sus fuerzas intermoleculares son<strong>de</strong>spreciables, con presiones muy bajas y distancias intermoleculares muy gran<strong>de</strong>s,recor<strong>de</strong>mos la expresión F = dU/dr o , pero si T disminuye, y la <strong>de</strong>nsidad aumenta, entoncesel gas <strong>de</strong>ja <strong>de</strong> ser i<strong>de</strong>al ya que su comportamiento no es el mismo.GENERALIZANDO EL PROBLEMASea un sistema físico cualquiera, (gas, líquido o sólido), que tiene la propiedad X (longitud,volumen, <strong>de</strong>nsidad, presión, resistencia eléctrica, etc. ), que varía con la temperatura, si seexpresa con X o a la propiedad a cierta temperatura T o , si ésta temperatura cambia <strong>de</strong> T o aT, entonces tendremos que ∆T = T – T o ; y cuando se produce este cambio, la propiedad X ocambia a X, entonces tendremos,∆X = X – X o , entonces el coeficiente térmico κ ( kappa) <strong>de</strong> la propiedad X o a la temperaturaT o está <strong>de</strong>finido como:κ =1 ⎛ ∆X⎜⎝ ∆TX 0⎞⎟⎠[3.18]Esta expresión es válida si X = L (unidimensional), o si X = A ( bidimensional), o si X = V(tridimensional), es <strong>de</strong>cir sea X una longitud, una área, o un volumen.En el primer caso κ = α L = 1/L o . ( ∆L /∆t )Recordamos nuevamente, que α L no es constante sino que <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la temperaturainicial t o , por lo general este coeficiente <strong>de</strong> expansión o dilatación lineal está dado para unat o = 0ºCDebido a que el coeficiente <strong>de</strong> dilatación α es una constante para cada material, la dilataciónva a <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>r única y exclusivamente <strong>de</strong> ∆ t y L 0 ,∆ L ∝ ∆tSi tenemos dos barras <strong>de</strong> un mismo material, una <strong>de</strong> mayor longitud que la otra, si leaplicamos la misma<strong>de</strong> mayor longitud el∆ t los∆ L van a ser distintos para cada una <strong>de</strong> las barras, siendo en la∆Lexperimentado mayor.Para la misma barra supongamos igual L 0 para distintas<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>r la dilatación <strong>de</strong>∆ t .12∆ t como α es constante solo va aComo la temperatura ambiente en los distintos puntos <strong>de</strong>l


FISICA II 2008 TEMA <strong>III</strong> JUAN J CORACEplaneta, sufre cambios: diurno, nocturnos, estacionales, climáticos, etc... las construcciones uobras <strong>de</strong> arte existentes en esos lugares se dilataran o se contraerán. Para evitar que estosfenómenos produzcan daños en los materiales; por ejemplo en las vías <strong>de</strong> ferrocarril, en lasestructuras metálicas o en el hormigón armado, se <strong>de</strong>jan juntas <strong>de</strong> dilatación que sonsimplemente espacios que permiten a las piezas <strong>de</strong>splazarse relativamente para compensarel efecto <strong>de</strong> la dilatación. Los vidrios con α muy gran<strong>de</strong>s, como es el caso <strong>de</strong>l vidrio común9.0x10-6 al sufrir una dilatación parcial, aparecen tensiones en la zona que no se dilataprovocando su rompimiento, en el laboratorio se <strong>de</strong>be usar vidrio refractario por ejemplopirex. vidrios con borosilicato, que tiene un coeficiente <strong>de</strong> dilatación mucho menor que elvidrio común.PROBLEMAS DE APLICACIÓN1. Escribir las expresiones que <strong>de</strong>finen los coeficientes <strong>de</strong> expansión o dilatación térmicaVolumétrica β. Verificar si α L es el coeficiente <strong>de</strong> expansión o dilatación lineal entonces β= 3.α L2. Encontrar el cambio <strong>de</strong> volumen <strong>de</strong> una esfera <strong>de</strong> aluminio (Al) <strong>de</strong> 10,0 cm <strong>de</strong> radio,cuando se calienta <strong>de</strong> 0 hasta 100ºC.3. Sea un bloque <strong>de</strong> cobre <strong>de</strong> 0,3 kg. <strong>de</strong> masa. Calcular su cambio <strong>de</strong> volumen, cuando secalienta <strong>de</strong> 27ºC a 100ºC4. Las vías <strong>de</strong> un ferrocarril se tien<strong>de</strong>n cuando la temperatura es <strong>de</strong> 0ºC, en ese caso lalongitud normal <strong>de</strong> un tramo <strong>de</strong> riel es <strong>de</strong> 12,0 m ¿ Qué espacio o junta <strong>de</strong> dilatación <strong>de</strong>be<strong>de</strong>jarse entre rieles para que no exista una compresión cuando la temperatura es <strong>de</strong> 42ºC.5. Una varilla <strong>de</strong> acero tiene un diámetro <strong>de</strong> 3,000 cm. Un aro <strong>de</strong> cobre tiene un diámetrointerior <strong>de</strong> 2,992 cm. ¿A que temperatura común podrá <strong>de</strong>slizarse exactamente el anillosobre la varilla?6. La <strong>de</strong>nsidad es la masa por unidad <strong>de</strong> volumen. Si el volumen V <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> latemperatura, también lo hará la <strong>de</strong>nsidad ρ. Demostrar que el cambio <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsidad ∆ρcorrespondiente a un cambio en la temperatura ∆Τ, está dado por: ∆ρ = −βρ.∆Τ , don<strong>de</strong> β esel coeficiente <strong>de</strong> dilatación cúbica. Explicar el porqué <strong>de</strong>l signo negativo.7. Ejercicio asociado al laboratorio: analizar el TP Nº1, termómetro <strong>de</strong> aire a volumenconstante, el error relativo porcentual que se comete si no se consi<strong>de</strong>ra la dilatación <strong>de</strong>lrecipiente y la influencia que tendría sobre la medición efectuada.13


FISICA II 2008 TEMA <strong>III</strong> JUAN J CORACE8. Calcular el alargamiento <strong>de</strong> una barra <strong>de</strong> Aluminio <strong>de</strong> 1m <strong>de</strong> longitud a 0 ºC, cuandoaumenta su temperatura a 100ºC.9. Investigar como el método <strong>de</strong> Hope, permite hallar el valor <strong>de</strong> máxima <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong>l agua,o mínimo volumen.10. Explicar operativamente el método <strong>de</strong> Dulong y Petit, que permite hallar el coeficiente <strong>de</strong>dilatación cúbica absoluta <strong>de</strong> un líquido in<strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong> la dilatación <strong>de</strong>l recipiente que locontiene.BIBLIOGRAFÍA DE CONSULTAZEMANSKY, MARK W.- CALOR Y TERMODINÁMICA. EDIT. AGUILAR S.A 1979SEARS, FRANCIS W.- TERMODINÁMICA. EDITORIAL REVERTÉ, S.A. 1969WILSON, JERRY D.- PHYSICS. EDIT.HEAT. SEGUNDA EDICIÓN, 1983RESNICK Y HALLIDAY.- FISICA ,EDITORIAL CECSA, PARTE I, 199014

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