Si observas detenidamente los cables eléctricos, notarás que están curvados hacia abajo debido a la holgura. ¿Por qué se aflojan deliberadamente los cables eléctricos, en lugar de simplemente tensarlos? La mayoría de los techos en Flores y Lembata, Nusa Tenggara Oriental, están hechos de zinc (Zn). Durante el día o la noche, los techos de zinc hacen ruido. ¿Por qué hace ruido el zinc? Si vives en la isla de Java, es posible que hayas observado vías de ferrocarril. Hay huecos en las juntas de los rieles. ¿Cuál es la función de estos huecos en las juntas de los rieles? Hay muchas cosas que puedes pensar y preguntar relacionadas con el tema de la expansión.
Expansión de longitud
La mayoría de los sólidos experimentan dilatación lineal al cambiar su temperatura. Esto se refiere a un aumento o disminución de su longitud. Generalmente, la longitud de un objeto aumenta al aumentar su temperatura, mientras que disminuye al disminuirla. Podría pensarse que la dilatación lineal solo ocurre en objetos como cables delgados. Por ejemplo, consideremos un automóvil estacionado al costado de la carretera expuesto al sol. Cuando el automóvil se sobrecalienta, la placa metálica puede volverse más gruesa o la longitud de sus laterales puede aumentar. Un techo de zinc también puede experimentar dilatación lineal. En este caso, cuando el zinc se sobrecalienta, los bordes se expanden y el zinc también puede volverse más grueso. Lo mismo sucede con las vías del ferrocarril y los puentes de hierro o acero.
La mayoría de los sólidos se expanden o contraen con los cambios de temperatura, por lo que es necesario comprender cómo afectan estos cambios a su expansión. Esto resulta muy útil para el diseño de equipos, edificios, vehículos, etc. Por ejemplo, las separaciones entre las vías del tren. Las vías están hechas de acero. Los ingenieros han calculado el ancho de estas separaciones. En un día caluroso, las vías se expanden varios centímetros. Al pasar un tren, la temperatura de las vías también aumenta, provocando una mayor expansión. En una noche fría, las vías se contraen. Basándose en este análisis, los ingenieros calculan la distancia entre las separaciones para que, al aumentar la temperatura, las vías no se toquen y se doblen.
Para ayudarnos a derivar la fórmula que establece la relación entre el cambio de temperatura y la cantidad de expansión lineal, consideremos un objeto sólido que experimenta expansión, como se muestra en la figura de la derecha. Leyenda: To = temperatura inicial, T = temperatura final, Lo = longitud inicial, L = longitud después de la expansión, delta L = cambio en la longitud, delta T = cambio en la temperatura.
Cuando la temperatura del objeto es T₀ ( el objeto aún está frío), su longitud es L₀ . Cuando la temperatura del objeto aumenta (la temperatura del objeto aumenta), su longitud aumenta (L). Según los resultados de observaciones y experimentos, el cambio en la longitud del objeto es proporcional al cambio de temperatura. Si la temperatura aumenta, la longitud del objeto aumenta. Por el contrario, cuando la temperatura disminuye, la longitud del objeto disminuye. El cambio en la longitud del objeto también es proporcional a su longitud inicial (L₀ ) . Si la magnitud del cambio de temperatura es la misma, un objeto de 10 metros de longitud, por ejemplo, aumentará su longitud al doble en comparación con un objeto de solo 5 metros. Por lo tanto, cuanto más largo sea el objeto, mayor será su expansión.
El cambio en la longitud de un objeto (delta L) es proporcional al cambio de temperatura (delta T):
El cambio en la longitud del objeto (delta L) es proporcional a la longitud inicial del objeto (L).o):
El cambio de longitud de cada objeto es diferente. Aunque es grande. cambios de temperatura De igual modo, la dilatación que experimenta el hierro no es la misma que la que experimenta el vidrio. Lo mismo ocurre con otros objetos. Por lo tanto, la dilatación lineal depende del coeficiente de dilatación lineal de cada objeto. Este coeficiente se obtiene experimentalmente. Cuanto mayor sea el coeficiente de dilatación lineal, mayor será el aumento de longitud. Cuanto menor sea el coeficiente de dilatación lineal, menor será el aumento de longitud. Se puede afirmar que el cambio en la longitud de un objeto es proporcional a su coeficiente de dilatación lineal.
Las tres comparaciones anteriores se expresan en una ecuación:
La longitud total de un objeto después de experimentar expansión o contracción se puede obtener sumando la longitud inicial del objeto (Lo) y cambios en la longitud del objeto (delta L).
Cuando cambia la temperatura (TT)o) es negativo, entonces el cambio de longitud (LL)o) también es negativo. En este caso, la longitud del objeto disminuye. Por el contrario, si el cambio de temperatura (TTo) es positivo, entonces el cambio en la longitud (LLo) también es positivo. En este caso, el objeto aumenta de longitud.
A continuación se muestra el coeficiente de dilatación lineal de los sólidos a una temperatura de 20 ° C. Los líquidos y los gases cambian de forma, lo que les impide experimentar dilatación lineal. El coeficiente de dilatación lineal de los sólidos también depende de la temperatura. A diferentes temperaturas, el coeficiente de dilatación lineal de los sólidos varía. Si la diferencia de temperatura no es muy grande, la diferencia en el coeficiente de dilatación lineal tampoco lo será, por lo que puede despreciarse.
Expansión de volumen
La dilatación longitudinal solo la experimentan los objetos sólidos, mientras que la dilatación volumétrica la experimentan todos los objetos, ya sean sólidos, líquidos o gases. La ecuación para la dilatación volumétrica es similar a la ecuación para la dilatación longitudinal.
La ecuación de expansión volumétrica anterior solo es válida cuando el cambio de volumen de un objeto (ya sea sólido, líquido o gas) es menor que su volumen inicial. Si el cambio de volumen es mayor, la ecuación no proporciona resultados precisos. Generalmente, el cambio de volumen que experimentan los objetos sólidos no es muy grande. En cambio, el coeficiente de expansión volumétrica de líquidos y gases es bastante elevado. Este coeficiente también varía fácilmente con los cambios de temperatura. Por lo tanto, la fórmula anterior se utiliza únicamente para la expansión de objetos sólidos. La fórmula para determinar el cambio de volumen de un gas se estudiará en el tema de la teoría cinética de los gases en el undécimo grado.
