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Indicador de logro:
Evidencia experimentalmente la dilatación térmica en sólidos, líquidos y gases.
Vamos a finalizar la unidad 2 estudiando un efecto macroscópico de la transferencia de calor entre los cuerpos. Nos referimos a la dilatación térmica. Comenzaremos estudiando el concepto de la dilatación, apreciando algunos de estos efectos en situaciones reales para resaltar su importancia para nuestra seguridad en construcciones de edificios y puentes, y luego veremos cómo se comporta la dilatación producida por un cambio de temperatura.
A. Concepto de dilatación
Dependiendo de la forma geométrica de un objeto, al hablar de su tamaño, podemos estarnos refiriendo a su longitud, superficie o volumen. En base a esto, los objetos podrán expandirse de diferentes formas.
Observa los siguientes ejemplos e identifica a qué tipo de dilatación térmica corresponderían las situaciones. Imagina que se está incrementando la temperatura de los objetos con alguna fuente de calor, por ejemplo, una flama o el Sol.
a. Describe lo que ocurrirá con el tamaño de las dimensiones si se aumenta su temperatura.
Nico: La dilatación o expansión térmica se refiere al aumento en las dimensiones de los cuerpos cuando se calientan. Es el mismo comportamiento en casi todos los materiales, excepto algunos que se expanden cuando se congelan, como el agua, por ejemplo.
Carlos: Ahora, recordemos las características moleculares de los sólidos, líquidos y gases.
b. Discute con tu grupo las siguientes preguntas. Escribe tus respuestas en tu cuaderno de trabajo:
¿Qué ocurría con las moléculas cuando al agregarles calor aumentábamos su temperatura?
¿Cómo es el movimiento y distancia entre ellas?
El aumento de la temperatura hace que el volumen de mercurio contenido en el capilar de vidrio se expanda.
Lisa: Me pregunto cuáles sustancias tenderían a dilatarse o contraerse más ¿las que están en fase de sólida, líquida o gaseosa? ¿Qué sustancia tendería a dilatarse menos? Para saberlo, necesitamos leer un poco.
De acuerdo con la forma del objeto, la dilatación térmica se clasifica en 3 tipos:
Dilatación térmica lineal
Dilatación térmica superficial
Dilatación térmica volumétrica
Para cada tipo de dilatación térmica hay una ecuación sencilla que se cumple en un buen rango de temperatura.
La siguiente tabla refleja los cambios en las dimensiones de un objeto o sustancia al agregarle calor. Recordemos que utilizamos la letra griega delta (Δ) para indicar cambio. La temperatura en un momento final se reconoce por el subíndice «f» y la del momento inicial por el subíndice «i».
Para distintos materiales se han determinado las constantes de proporcionalidad que relacionan el cambio de temperatura con cada cambio de dimensiones. A estas constantes se les llama coeficientes de dilatación. Sus unidades de medida son el recíproco de las unidades de temperatura: 1/°C = °C-1.
Observa la ecuación correspondiente a cada tipo de dilatación:
En las tres ecuaciones observamos que el cambio, ya sea en la longitud ΔL, superficie ΔA o volumen ΔV, es directamente proporcional al cambio de temperatura ΔT; es decir, a mayor temperatura, mayor será la dilatación térmica.
Por ejemplo, en la dilatación lineal, si la temperatura de una regla de acero aumenta, su longitud también aumentará. Si su temperatura disminuye, su longitud disminuirá.
B. Dilatación térmica de objetos
Procedimiento:
Clasifica los siguientes ejemplos según su tipo de dilatación:
a. En la construcción de aceras, se deja un espacio entre el final de una acera y el inicio de otra, para que, al ser calentadas por el Sol, no se fracturen por estar muy pegadas entre sí.
b. Al llenar un vaso de vidrio frío con agua caliente, puede sufrir alguna fractura. Al llenar un vaso de vidrio frío con agua caliente, puede sufrir alguna fractura.
c. Las líneas de tren se colocan de manera que se deje un espacio entre el final de una parte de la línea y el inicio de la otra parte de la línea para que no se levanten al empujarse cuando sufran dilatación por el aumento de su temperatura a ciertas horas del día.
d. Cuando un neumático se calienta puede llegar a expandirse tanto que explote.
En la siguiente tabla se encuentran algunos valores de los coeficientes de dilatación térmica para algunos sólidos y líquidos:
Responde las siguientes preguntas en cuaderno de trabajo:
e. ¿Aumenta o disminuye la temperatura final de una línea ferroviaria (línea de tren) si su variación de temperatura es positiva?
f. ¿Aumenta o disminuye la longitud final de una línea ferroviaria (línea de tren) si la variación de su longitud es positiva?
2. Lee el siguiente problema:
Tenemos 2 líneas de tren de 1500 m de largo para ser probadas: una de plomo y una de acero. ¿Cuál de ellas sufrirá un mayor cambio de longitud cuando pasa de estar a una temperatura de 20 °C a una de 35 °C?
Antes de efectuar cualquier cálculo nota que el cambio de longitud ΔL, es la variable dependiente y el cambio de temperatura ΔT, la variable independiente.
Solución:
Longitud inicial de los alambres: Li = 1500 m
Cálculo del cambio de temperatura: ΔT = Tf - Ti = 35 °C – 20 °C = 15 °C
Las líneas ferroviarias experimentan una dilatación lineal.
Sustitución de los datos para calcular ΔL para cada material:
g. ¿Cuáles serán las longitudes finales de las líneas de tren?
C. Dilatación volumétrica del aire dentro de un globo
¿Qué tanto se expande el aire si la variación de su temperatura es positiva?
Materiales: 1 Olla de 500 ml, 1 botella de vidrio, 1 globo, agua caliente entre 50 °C y 80 °C y cubos de hielo.
Procedimiento:
Con ayuda de tu docente, llena la olla con agua caliente.
Coloca la boquilla del globo al cuello de la botella e introduce la botella a la olla.
a. Registra tus observaciones.
b. ¿Qué le pasaría al globo si la temperatura del agua de la olla disminuye?
Añade cubos de hielo a la olla.
c. ¿La evidencia experimental concuerda con tu predicción del literal b?
¿Qué aprendimos?
Lisa: Yo aprendí que la dilatación es el aumento de longitud, superficie o volumen de un cuerpo por separación de sus moléculas.
Decimos que un cuerpo se dilata cuando se estira o expande. Lo contrario a dilatación recibe el nombre de contracción y lo podemos definir como la disminución de longitud, superficie o volumen de un cuerpo por acercamiento de sus moléculas.
Nico: El fenómeno de dilatación puede ocurrir por diversas razones que no están relacionadas con la temperatura. ¿Se te ocurren algunos ejemplos de este tipo?
La dilatación y contracción debido a un cambio de temperatura recibe el nombre de dilatación térmica.
Irene: La mayoría de los cuerpos se dilatan cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían.
a. ¿La afirmación de Irene es correcta? ¿Puedes mencionar algunos ejemplos que sustenten tu razonamiento?
b. Durante la actividad «B» observamos el siguiente ejemplo de dilatación térmica: los cables del tendido eléctrico se tensan cuando el clima es frío y se aflojan cuando el clima es caliente.
Realiza los dibujos de estos cables, primero, en clima caliente (situación inicial) y después, en clima frío (situación final). Dibuja la Luna o el Sol donde corresponda. Resalta la zona de los cables que corresponde a su variación de longitud ΔL.
Las variaciones de las dimensiones de los objetos sólidos por efecto del cambio de temperatura son muy pequeñas. Por su parte, los gases se dilatan o contraen con mayor facilidad que los líquidos y sólidos. Pudimos observar en la actividad C cómo el aire dentro del globo se dilata y contrae con facilidad por efecto del cambio de su temperatura.
Sensación térmica: es la reacción del cuerpo humano ante el conjunto de condiciones relacionadas con la temperatura del ambiente.
Energía interna: aquella asociada al movimiento de las moléculas de una sustancia.
Temperatura: es un indicador del aumento o disminución de la energía térmica promedio de las moléculas de un objeto. Se mide con un termómetro.
A la ganancia o pérdida de energía térmica de un objeto se le llama calor.
Cambio de fase: proceso mediante el cual un cuerpo pasa de un estado de agregación a otro sin modificar su composición ni variar la temperatura.
Los cambios de fase dependen de la presión local. La presión atmosférica local depende de la altitud. La latitud de un lugar es la distancia vertical que se mide a partir del nivel del mar (0 msnm). La presión a 0 metros sobre el nivel del mar (0 msnm) es de 1 atmósfera.
Conducción: el calor se propaga a través de un material que lo conduce. El material no se mueve.
Convección: el calor se propaga a través del movimiento de un material.
Radiación: no necesita de ningún material. Puede propagarse a través del vacío.
Equilibrio térmico: la transferencia de calor se detiene cuando ambos cuerpos o medios alcanzan la misma temperatura
Capacidad calorífica: cantidad de calor requerida para elevar en 1 °C la temperatura de una sustancia. Es una propiedad extensiva.
Calor específico: cantidad de calor necesaria para elevar en un 1 °C la temperatura de un gramo de sustancia. Es característico de cada sustancia, por tanto, es una propiedad intensiva.
El calor específico es característico de cada sustancia, por tanto, es una propiedad intensiva.
El intercambio de energía térmica se cuantifica por medio del calor. Antes de ser transferida, la energía que está dentro del sistema no es calor, sino energía térmica. El calor y la energía térmica se miden en la unidad SI: joule (J).
Dilatación: aumento de longitud, superficie o volumen de un cuerpo por separación de sus moléculas.
Contracción: disminución de longitud, superficie o volumen de un cuerpo por acercamiento de sus moléculas.
Dilatación térmica: dilatación y/o contracción debido a un cambio de temperatura.
Dos jarras con diferente volumen de agua tienen la misma temperatura. Se vierte cada una sobre un cubo de hielo idéntico.
Responde ¿las jarras tienen la misma energía térmica? ¿Cuál de las dos jarras fundirá más hielo? ¿Ambas fundirán la misma cantidad?
3. Relaciona los conceptos de la izquierda con sus definiciones en la derecha.
a. Solidificación ( ) Cambio de sólido a líquido
b. Fusión ( ) Cambio de líquido a sólido
c. Ebullición ( ) Cambio de sólido a gas sin pasar por el líquido
d. Condensación ( ) Cambio de gas a líquido
e. Sublimación ( ) Cambio de líquido a gas
4. Marca con X los ejemplos que sean cambios de fase.
a. Hervir agua para hacer un café. _____
b. Romper un papel. _____
c. Hacer paletas de hielo. _____
5. Relaciona los conceptos de la izquierda con los ejemplos en la derecha.
a. Conducción ( ) Una persona se pone frente al ventilador porque siente calor.
b. Convección ( ) Una persona se para en un lugar soleado para calentarse.
c. Radiación ( ) Una persona se pone un suéter porque está haciendo frío.
6. ¿Cuándo se produce una transferencia de calor? Indica si los siguientes enunciados son falsos (F) o verdaderos (V).
a. Cuando hay una variación de temperatura entre dos cuerpos o medios. _____
b. Solo se produce si dos objetos están en contacto entre sí. _____
c. Si dos objetos tienen la misma temperatura puede ocurrir transferencia de calor. _____
7. Observa la imagen de la izquierda. Cada masa distinta de agua se le aplica la misma cantidad de calor, ¿cuál de ellas experimentará un aumento más grande de temperatura?
8. Observa la imagen de la derecha y responde la pregunta anterior, ahora para dos masas iguales de líquido, pero una de ellas es agua y la otra es leche. La capacidad calorífica de la leche: 3800 J/ kg °C. La capacidad calorífica del agua: 4182 J/kg °C.
9. Relaciona los conceptos de la izquierda con los ejemplos en la derecha.
a. Dilatación lineal ( ) Un globo de aire se infla al aumentar la temperatura en su interior.
b. Dilatación volumétrica ( ) El techo de lámina se expande cuando es calentado por el Sol.
c. Dilatación superficial ( ) Cambio de longitud de un alambre al ser calentado.
La energía geotérmica es un tipo de energía renovable. Proviene del calor del interior de la Tierra, que se transmite por conducción a través de rocas y por convección a través del agua subterránea.
En El Salvador se extrae mediante la perforación de pozos geotérmicos. Algunos se encuentran en lugares como Los Ausoles en Ahuachapán, El Tronador en Usulután, Los Infiernillos en San Vicente y en otras zonas del país.
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