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La DILATACIÓN es el aumento de volumen de un cuerpo por
apartamiento de sus moléculas y disminución de su densidad
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Otra definición de DILATACIÓN es la siguiente: Incremento del volumen de un cuerpo por aumentar la distancia entre sus moléculas, con lo que su densidad disminuye.
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Si observas con cuidado lo que sucede a tu alrededor, te darás cuenta que muchas
sustancias aumentan su tamaño cuando se eleva su temperatura. El concepto de
temperatura a partir del movimiento de las moléculas de un cuerpo, nos explica este
fenómeno.
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Algunos objetos llegan a romperse, por ejemplo al enfriar bruscamente un vaso de vidrio o cuando se encuentra frío y se calienta rápidamente. Debido a que los cambios de temperatura tienen lugar a distintas velocidades en las
paredes de vaso, el vidrio se dilata o se contrae de manera desigual y se rompe con facilidad.
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Los cambios de temperatura afectan el tamaño de los
cuerpos, pues la mayoría de ellos se dilatan al
calentarse y se contraen si se enfrían.
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Los gases se dilatan mucho mas que los
líquidos y estos mas que los sólidos.
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La dilatación tiene multitud de aplicaciones
una de ellas es en la fabricación de
termómetros que son instrumentos que utilizan
la dilatación que experimenta un sólido,
un líquido o un gas hasta lograr su equilibrio
térmico con el cuerpo con que se encuentra un
contacto.
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TERMOMETROS BIMETALICOS
TIPOS DE TERMOMETROS
TERMOMETROS A BASE DE LIQUIDOS
TERMOMETROS ESPECIALES
DE MERCURIO
DE ALCOHOL
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Se utiliza para medir la
temperatura de sólidos, constan de una varilla de dos metales diferentes
cuando ambos tienen cambios de
longitud, al calentarse uno se
dilata mas que otro y la barra se dobla.
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Aprovechan la diferencia de dilatación entre los líquidos. Para que la dilatación se observe con mayor claridad existe un bulbo o deposito voluminoso del liquido y un tubo capilar muy delgado que permite ver cualquier variación de volumen. Por ejemplo tenemos:
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Cosiste en un cubo con un
conducto muy delgado (tubo
capilar),unido a un bulbo mas grande que
contiene mercurio.
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Cuando el termómetro esta en contacto con un cuerpo a mayor temperatura, se transmite calor
hacia el y la temperatura del mercurio aumenta; se dilata mas
que el vidrio, ocupa mayor volumen y asciende por el tubo
capilar
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Se rige por el mismo principio de los
termómetros de mercurio; se utiliza alcohol
coloreado. Es indispensable en algunos lugares fríos ya que en
ellos el mercurio se solidificaría
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Otra de las aplicaciones de la
dilatación es en los termostatos,
aparatos destinados a
mantener constante, en lo
posible, la temperatura de un
cuerpo o de un lugar determinado
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En algunos casos los termostatos hace la
regulación automáticamente, y en otros casos solo avisa cuando la temperatura
no es la deseada, haciendo una lámpara, etc. Hay termostatos en refrigeradores, hornos, cafeteras, sistemas de
calefacción y aire acondicionado
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DILATACIÓN
De los sólidos
Lineal
Coeficiente de dilatación
De los líquidos
Anómala del agua
Superficial
Volumétrica
De los gases
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Los átomos que forman la sustancia sólida se encuentran colocados ordenadamente, lo que
da origen a una estructura llamada red cristalina del cuerpo
sólido
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Al elevarse la temperatura de un sólido se provoca un aumento en la agitación de los
átomos que, al vibrar, se alejan de su posición de equilibrio aumentando la
distancia entre ellos, lo que trae como consecuencia la dilatación de los sólidos
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La expansión térmica del metal de un edificio o puente
tiene una gran importancia practica.
Si no se tomaran medidas respecto a
la expansión térmica, las vías de
los ferrocarriles y las carreteras de concreto se
panderían bajo la acción del sol en el
verano.
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Si calentamos una varilla metálica se observa que su volumen aumenta y notamos que la varilla se alarga. A este alargamiento se le denomina dilatación lineal. Se ha encontrado experimentalmente que:
El alargamiento que se produce es directamente proporcional a la elevación de la temperatura.
El alargamiento es directamente proporcional al largo de la varilla. Con estas dos conclusiones se puede enunciar la Ley General de la Dilatación Lineal:
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El alargamiento de una varilla al calentarse es directamente
proporcional a la elevación de la temperatura y al largo inicial de
la varilla.
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Se llama coeficiente de dilatación lineal de una sustancia sólida al incremento que experimenta
la unidad de longitud al aumentar su temperatura en un grado centígrado.
Este coeficiente se presenta con la letra griega alfa, y para su calculo se utiliza la siguiente
ecuación:
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=Lf-Li
Li(Tf-Ti)
DONDE:
= coeficiente de dilatación lineal, en °C-1
Li = longitud inicial, expresada en metros
Lf = longitud final; expresada en metros
Ti = temperatura inicial, medida en grados centígrados
Tf = temperatura final, medida en grados centígrados
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Si se conoce el coeficiente de dilatación lineal de una sustancia y se quiere calcular la
longitud final que tendrá al variar su temperatura, se despeja la longitud final de
la ecuación anterior y se obtiene:
Lf= Li 1+ (Tf-Ti)
Los coeficientes de dilatación lineal para algunos materiales comunes
aparecen en la siguiente tabla:
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Sustancia (°C-1)
Aluminio latón cobre bronce hierro plata plomo vidrio
24.0 18.0 16.6 18.0 11.7 18.3 27.3 7.3
(10-6) (10-6) (10-6) (10-6) (10-6) (10-6) (10-6) (10-6)
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Los alambres de alumbrado eléctrico son de cobre. Supongamos que los postes están separados 25 m y que los alambres están tensos en un día de invierno, cuando la temperatura es 0°C, ¿cuál será la longitud de cada alambre en un día de verano, con la temperatura de 30°C?
DATOS:
Li=25m Ti=0°C Lf=? Tf=30°C
=16.6(10-6°C-1)
FORMULA Y DESARROLLO:
Lf=Li 1+ (Tf-Ti) Lf=25 m 1+(16.6)(10-6°C-1)(30°C-0°C) Lf=25 m 1+(16.6)(10-6)(30) Lf=25 m 1+498(10-6) Lf=25 m (1.000498) Lf= 25.01245 m
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La dilatación superficial, es decir, el aumento en el área de un objeto producido por una variación de temperatura, se observan las mismas leyes de la dilatación lineal. El coeficiente de dilatación superficial se llama beta ( ). Su valor también depende del material del que esté hecho, y equivale al doble que el coeficiente de dilatación lineal, es decir:
= 2
Conociendo el coeficiente de dilatación superficial ( ) de una sustancia, se puede calcular la superficie (Sf) que tendría al variar su temperatura y su expresión sería:
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Sf = Si 1+ (Tf-Ti)
Donde:
Si = superficie inicial, en m2
Sf = superficie final, en m2
Ti = temperatura inicial, en °C
Tf = temperatura final, en °C
= coeficiente de dilatación superficial, en °C-1
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El fondo de un recipiente cilíndrico de latón es de 314 cm2 , con una temperatura de 0 °C. Calcular su superficie cuando esta a 150 °C.
DATOSSi = 314 cm2Sf = ?Ti = 0 °CTf = 150 °C = 18 (10-6 °C-1) = 36 (10-6 °C-1)
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FORMULA Y DESARROLLO
Sf = Si 1+ (Tf-Ti) -6 -1
Sf= 314 cm2 1+36(10 °C ) (150 °C- 0°C) 2
Sf= 315.6956 cm
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La variación del volumen de un cuerpo con la temperatura sigue las mismas reglas que las
dilataciones anteriores.
El coeficiente de dilatación volumétrica gamma ( ) el triple de la dilatación lineal: = 3α
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Conociendo el coeficiente de dilatación volumétrica de una sustancia, se puede calcular el volumen que tendría al variar su temperatura con la siguiente expresión:
Vf= Vi 1+ (Tf-Ti)
Donde:
Vi= volumen inicial, en m3
Vf= volumen final, en m3
Ti= temperatura inicial, en °C
Tf= temperatura final, en °C
= coeficiente de dilatación volumétrica, en °C-1
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Un cubo de aluminio cuya arista mide 2 m (V = 8 m3) esta a 150 °C. Calcular su volumen a 65 °C.
DATOS:
Vi= 8 m3
Ti= 15 °C
Vf= ?
Tf= 65 °C
= 24 (10-6 °C-1)
=72 (10-6 °C-1)
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FORMULA Y DESARROLLO
Vf= Vi 1+ (Tf-Ti)
Vf = 8 m3 1+72 (10-6 °C-1) (65 °C-15°C)
Vf= 8.0288 m3
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Los gases son los que tienen menor cohesión entre sus moléculas, por lo que al incrementar su temperatura se dilatan al máximo. El gaseoso es el estado de la materia que se caracteriza por que el coeficiente de dilatación es igual para todos los gases.
Cuando una sustancia gaseosa se calienta aumenta enormemente el espacio de separación entre sus moléculas y toda la energía calorífica recibida se transforma en energía cinética.
Los visto anteriormente nos señala que la temperatura, la presión y el volumen de un gas se relacionan estrechamente, lo cual se demuestra en las leyes de los gases.
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