• Document: COEFICIENTE DE EXPANSIÓN TÉRMICA
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COEFICIENTE DE EXPANSIÓN TÉRMICA COEFICIENTE DE EXPANSIÓN TÉRMICA A: JUSTIFICACIÓN Los efectos más comunes que ocasionan las variaciones de temperatura en los cuerpos o sustancias, son las modificaciones o cambios de sus dimensiones (sólidos y líquidos), en su gran mayoría las sustancias aumentas sus dimensiones al aumentar la temperatura, o bien disminuyen estas al disminuir la temperatura, pocas son las sustancias que no siguen dicho comportamiento, como el agua1. Si bien estas variaciones en las dimensiones suelen ser pequeñas. Un puente de concreto de 50 m de largo que se exponga a una variación de temperatura de 20 ºC podrá aumentar unos 1,2 cm de longitud; si sus extremos son fijos se presentarán tensiones sumamente peligrosas, que pueden provocar su ruptura. Por eso se suele colocar en los extremos de los puentes juntas de expansión térmica (ver figura 1), las que se usa en los puentes para separarlos de la carretera, sin estas juntas las superficies se levantarían debido a la expansión térmica en un día muy caluros, o se romperían debido a la contracción en días demasiados fríos. En los puentes metálicos, se suele montarlos sobre rodillos (ver figura 2), que compensan las contracciones y dilataciones del metal. Figura 1: Juntas de dilatación En las vías del ferrocarril se procura dejar un espacio entre los rieles por la misma razón; esta abertura es el causante del traqueteo de los vagones. Una de las aplicaciones de mayor uso de la dilatación térmica es en la fabricación de termómetros, donde la variación del volumen de la sustancia contenida en su interior (p. ej.: mercurio, alcohol etílico), se interpreta con ayuda de una escala, como variaciones de temperatura. Los dispositivos empleados para mantener constante la temperatura llamados termostatos, tienen su principio operacional fundamentado en una banda bimetálica (dos láminas metálicas de diferente material: bronce y aluminio; hierro y aluminio; hierro y platino, entre otros). Al calentarse los dos metales soldados se dilatan en forma desigual, pues tienen diferente coeficiente de dilatación, 1 Por dilatación anómala del agua conocemos el hecho de que el agua cuando se congela, se dilata (aumenta su volumen), y cuando se calienta sobre los 4 ºC también se dilata, por ello a 0 ºC le corresponde el menor volumen como sólido (mayor densidad) y a 4 ºC, el menor volumen como líquido (la mayor densidad). 1 | © ® rfiguero@gmail.com COEFICIENTE DE EXPANSIÓN TÉRMICA sufriendo una dilatación que interrumpe el circuito eléctrico, y al enfriarse el bimetal, recupera su forma original y vuelve a cerrar el circuito. Los termostatos los encontramos en planchas de ropa, cocinas, motores, estufas, etc. Figura 2: Apoyo tipo rodillos B: OBJETIVOS - Permitir al estudiante mediante la experimentación, identificar las CONCEPTOS CLAVE variables que determinan la dilatación de los materiales sólidos Coeficiente de dilatación Dilatación lineal, - Cuantificar el coeficiente de dilatación de diversos materiales superficial y volumétrica sólidos usados en ingeniería. C: NOTA TEORICA Cuando un cuerpo sólido se expone a variaciones de su temperatura, varían todas sus dimensiones: longitud, superficie y volumen, por lo que la dilatación (contracción) puede ser: lineal, superficial o volumétrica, entendiendo por dilatación o contracción, dicha modificación de sus dimensiones. La amplitud de dichas modificaciones depende también de las propiedades del material2 y de sus dimensiones originales. Cuando en un cuerpo predomina la longitud sobre las otras dos dimensiones, cuando se calienta, se observa un aumento de su longitud, en este caso se dice que se sufre una dilatación lineal. Cuando la temperatura de un cuerpo sólido se eleve desde un valor T hasta otro T +∆T, su longitud L0 sufrirá un alargamiento ∆L dado por la expresión (Lf: longitud final; Tf; temperatura final) : L f = L0 + ∆L = L0 + α L0 ∆T = L0 + α L0 (T f − T0 ) (1) y el coeficiente de dilatación lineal (α) medio entre ambas temperaturas viene dado por la relación: ∆L L f − L0 α= = (2) L0 ∆T L0 ∆T 2 Entiéndase por propiedades del material sus características químicas (su red cristalina, su estructura electrónica, etc.) lo

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