A maioría dos obxectos sólidos experimentan unha expansión lineal cando cambia a temperatura. A expansión lineal é o aumento da lonxitude do obxecto ou a súa diminución. Normalmente, a lonxitude do obxecto aumenta cando a temperatura aumenta, mentres que a lonxitude do obxecto diminúe cando a temperatura baixa. Poderías pensar que a expansión lineal só pode ocorrer en obxectos como arames finos. Por exemplo, observa un coche que está aparcado ao bordo da estrada, polo que está exposto ao sol. Cando o coche se sobrequenta, a placa de ferro pode facerse máis grosa ou a lonxitude do lado pode aumentar. Os tellados das casas feitas de zinc tamén poden experimentar expansión. Neste caso, cando o zinc se sobrequenta, os bordos do zinc aumentan de ancho e o zinc pode incluso facerse máis groso. O mesmo ocorreu coas vías do tren e co ferro ou aceiro da ponte.
A maioría dos obxectos sólidos expándense ou contraen cando cambia a súa temperatura, polo que necesitamos saber como afectan os cambios de temperatura á expansión dos obxectos sólidos. Por exemplo, un oco nas vías do tren. As vías do tren están feitas de aceiro. Os enxeñeiros calcularon o ancho do oco entre cada carril. Nun día caloroso, o carril expandirase uns centímetros. Cando pasa un tren, a temperatura do carril tamén aumenta, de xeito que o carril se estende cantos centímetros. Nas noites frías, os carrís contraen ata cantos centímetros?
Baseándose nos resultados da análise, os enxeñeiros estiman a distancia entre os ocos dos carrís, de xeito que cando a temperatura do carril aumenta, estes non se toquen e se dobren.
Para axudarnos a derivar unha fórmula que indique a relación entre os cambios de temperatura e a magnitude da expansión lonxitudinal, revise un obxecto sólido que experimenta expansión, como se mostra na figura seguinte.
To = temperatura inicial, T = temperatura final, Lo = lonxitude inicial, ΔL = cambio de lonxitude, L = lonxitude despois da expansión, ΔT = 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, os cambios na lonxitude do obxecto son proporcionais aos cambios na 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 dun obxecto tamén é proporcional á lonxitude do obxecto orixinal (Lo). Se os cambios de temperatura son os mesmos, os obxectos que miden 10 metros de longo, por exemplo, duplicarán a súa lonxitude en comparación cos obxectos que só miden 5 metros. Polo tanto, canto máis longo sexa o obxecto, maior será a expansión do obxecto.
Os cambios na lonxitude do obxecto (L) son proporcionais aos cambios na temperatura (ΔT): ΔL α ΔT
Os cambios na lonxitude dun obxecto (ΔL) son proporcionais á lonxitude do obxecto orixinal (L o ): ΔL α L o
Os cambios na lonxitude de cada obxecto varían. Aínda que os cambios de temperatura son os mesmos, a expansión que experimenta o ferro non é a mesma que a do vidro. Do mesmo xeito ocorre con outros obxectos. Entón, a expansión lineal depende do coeficiente de expansión lineal de cada obxecto. Canto maior sexa o coeficiente de expansión lineal, maior será o aumento da lonxitude. Canto menor sexa o coeficiente de expansión lineal, menor será o aumento da lonxitude. Poderíase dicir que o cambio de lonxitude dun obxecto é proporcional ao coeficiente de expansión lineal.
∆ L ∝ α
As tres comparacións anteriores exprésanse nunha ecuación:
Descrición: ΔL = A variación de lonxitude, α = O coeficiente de expansión lineal (unidades α = K -1 ou (C o ) -1 , L o = Lonxitude inicial, ΔT (T 1 – T o ) ΔT = As variacións de temperatura (temperatura final – temperatura inicial)
A lonxitude total dun obxecto despois de experimentar expansión ou contracción pódese obter sumando a lonxitude inicial do obxecto (L o ) e o cambio de lonxitude do obxecto (ΔL).
Descrición: ΔL = lonxitude do obxecto despois de expandirse ou contraerse, Lo = A lonxitude inicial do obxecto, ΔL = L – Lo = A variación de lonxitude, α = O coeficiente de expansión lineal (unidades de α = K-1 ou (Co)-1, ΔT = T – To = Cambio de temperatura, To = Temperatura inicial, T = temperatura final.
Se o cambio de temperatura (TT₂o ) é negativo, entón o cambio de lonxitude (LL₂o ) tamén é negativo.
Neste caso, a lonxitude do obxecto diminúe. Pola contra, se o cambio de temperatura (TT₂o ) é positivo, entón o cambio de lonxitude (LL₂o ) tamén é positivo. Neste caso, os obxectos aumentan de lonxitude.
A continuación móstrase o valor do coeficiente de expansión lineal dos obxectos sólidos a unha temperatura de 20 °C. A forma das substancias líquidas e gasosas cambia, de xeito que estes dous tipos de substancias non poden experimentar a expansión lineal. O coeficiente de expansión lineal dun obxecto sólido tamén depende da temperatura. A diferentes temperaturas, o coeficiente de expansión lineal dos obxectos sólidos tamén varía. Se a diferenza de temperatura non é demasiado significativa, a diferenza no coeficiente de expansión lineal tampouco é demasiado significativa para que se poida ignorar.
