Se observas os cables eléctricos con atención, notarás que están curvados cara abaixo debido á folgura. Por que se afrouxan os cables eléctricos deliberadamente, en lugar de simplemente tensalos? A maioría dos tellados de Flores e Lembata, Nusa Tenggara Oriental, están feitos de zinc (Zn). Durante o día ou pola noite, os tellados de zinc fan ruído. Por que fai ruído o zinc? Se vives na illa de Xava, é posible que observases vías de ferrocarril. Hai ocos nas unións dos carrís. Cal é a función destes ocos nas unións dos carrís? Hai moitas cousas nas que podes pensar e preguntar relacionadas co tema da expansión.
Expansión da lonxitude
A maioría dos sólidos sofren unha expansión lineal cando cambia a súa temperatura. Isto refírese a un aumento ou diminución da lonxitude. Normalmente, a lonxitude dun obxecto aumenta a medida que aumenta a súa temperatura, mentres que a súa lonxitude diminúe a medida que diminúe a súa temperatura. Poderías pensar que a expansión lineal só se produce en obxectos como os arames finos. Por exemplo, imaxina un coche aparcado ao bordo da estrada exposto á luz solar. Cando o coche se sobrequenta, a placa de metal pode facerse máis grosa ou a lonxitude dos seus lados pode aumentar. Un tellado de zinc tamén pode experimentar unha expansión lineal. Neste caso, cando o zinc se sobrequenta, os bordos do zinc expándense e o zinc tamén pode facerse máis groso. O mesmo ocorre coas vías do ferrocarril e as pontes de ferro ou aceiro.
A maioría dos sólidos expándense ou contráense cando cambia a súa temperatura, polo que necesitamos comprender como os cambios de temperatura afectan á expansión dos sólidos. Isto é moi útil ao deseñar equipos, edificios, vehículos, etc. Por exemplo, os ocos nas vías do ferrocarril. As vías do ferrocarril están feitas de aceiro. Os enxeñeiros calcularon o ancho dos ocos entre cada carril. Nun día caloroso, os carrís expándense varios centímetros. Cando un tren pasa por riba deles, a temperatura dos carrís tamén aumenta, o que fai que os carrís se expandan en cantos centímetros. Nunha noite fría, os carrís encóllense en cantos centímetros. Baseándose na análise, os enxeñeiros estiman a distancia entre os ocos dos carrís para que cando a temperatura do carril aumenta, os carrís non se toquen entre si e se dobren.
Para axudarnos a derivar a fórmula que indica a relación entre o cambio de temperatura e a cantidade de expansión lineal, considere un obxecto sólido en expansión, como se mostra na figura da dereita. Lenda: To = temperatura inicial, T = temperatura final, Lo = lonxitude inicial, L = lonxitude despois da expansión, delta L = cambio de lonxitude, delta T = cambio de temperatura.
Cando a temperatura do obxecto = T o (o obxecto aínda está frío), a lonxitude do obxecto = L o . Cando a temperatura do obxecto = T (a temperatura do obxecto aumenta), a lonxitude do obxecto = L. Segundo os resultados das observacións e experimentos, o cambio na lonxitude do obxecto é proporcional ao cambio de temperatura. Se a temperatura aumenta, a lonxitude do obxecto aumenta. Pola contra, cando a temperatura diminúe, a lonxitude do obxecto diminúe. O cambio na lonxitude do obxecto tamén é proporcional á lonxitude inicial do obxecto (L o ). Se a magnitude do cambio de temperatura é a mesma, un obxecto de 10 metros de longo, por exemplo, aumentará de lonxitude en 2 veces en comparación cun obxecto de só 5 metros de longo. Polo tanto, canto máis longo sexa o obxecto, maior será a expansión do obxecto.
A variación da lonxitude dun obxecto (delta L) é proporcional á variación da temperatura (delta T):
A variación na lonxitude do obxecto (delta L) é proporcional á lonxitude inicial do obxecto (Lo):
A variación de lonxitude de cada obxecto é diferente. Aínda que sexa grande cambios de temperatura Do mesmo xeito, a expansión experimentada polo ferro non é a mesma que a experimentada polo vidro. O mesmo ocorre con outros obxectos. Polo tanto, a expansión lineal depende do coeficiente de expansión lineal de cada obxecto. O coeficiente de expansión lineal para cada obxecto obtense mediante experimentación. Canto maior sexa o coeficiente de expansión lineal, maior será o aumento de lonxitude. Canto menor sexa o coeficiente de expansión lineal, menor será o aumento de lonxitude. Pódese dicir que o cambio na lonxitude dun obxecto é proporcional ao coeficiente de expansión lineal.
As tres comparacións anteriores exprésanse nunha ecuación:
A lonxitude total dun obxecto despois de experimentar expansión ou contracción pódese obter sumando a lonxitude inicial do obxecto (Lo) e cambios na lonxitude do obxecto (delta L).
Cando cambia a temperatura (TT)o) é negativo, entón o cambio de lonxitude (LL)o) tamén é negativo. Neste caso, a lonxitude do obxecto diminúe. Pola contra, se a temperatura cambia (TTo) é positivo, entón o cambio de lonxitude (LLo) tamén é positivo. Neste caso, o obxecto aumenta de lonxitude.
O seguinte é o coeficiente de expansión lineal dos sólidos a unha temperatura de 20 ° C. Os líquidos e os gases cambian de forma, o que lles impide experimentar unha expansión lineal. O coeficiente de expansión lineal dos sólidos tamén depende da temperatura. A diferentes temperaturas, o coeficiente de expansión lineal dos sólidos tamén varía. Se a diferenza de temperatura non é demasiado grande, a diferenza no coeficiente de expansión lineal tampouco será demasiado grande, polo que se pode ignorar.
Expansión do volume
A expansión da lonxitude só a experimentan os obxectos sólidos, a expansión do volume a experimentan todos os obxectos, xa sexan sólidos, líquidos ou gasosos. A ecuación para a expansión do volume é similar á ecuación para a expansión da lonxitude.
A ecuación de expansión do volume anterior só é válida cando o cambio de volume dun obxecto (xa sexa sólido, líquido ou gasoso) é menor que o volume inicial do obxecto. Se o cambio de volume dun obxecto é maior que o volume inicial do obxecto, a ecuación de expansión do volume non proporciona resultados precisos. Normalmente, o cambio de volume experimentado polos obxectos sólidos non é demasiado grande. Pola contra, o valor do coeficiente de volume dos líquidos e gases é bastante grande. O coeficiente de volume dos gases tamén cambia facilmente cos cambios de temperatura. Polo tanto, a fórmula anterior úsase só para a expansión de obxectos sólidos. A fórmula para determinar o cambio de volume do gas estudarase no tema da teoría cinética dos gases en 11.º curso.
