Semana 9 Dilatación y cambios de estado

Calor: transferencia
y efectos
Semana
9
Dilatación y cambios de estado
Semana 8
¡Empecemos!
En semanas anteriores pudimos definir algunas diferencias entre calor y temperatura, así como conocer las
formas en las que se puede
transferir el calor, la forma
de calcular el calor transferido y el equilibrio térmico al
que llegan los cuerpos luego de permanecer en contacto teniendo inicialmente
temperaturas diferentes.
Sin embargo, existen algunos efectos del calor que, en lugar de implicar
una interacción entre dos cuerpos o sustancias, pueden suceder considerando uno de ellos. Cuando aplicamos una determinada cantidad de calor sobre
algún cuerpo o sustancia, podremos experimentar fenómenos físicos como
la dilatación térmica o los cambios de estados de la materia; pero, ¿en qué
consisten? Ésta semana lo abordaremos.
¿Qué sabes de...?
En la línea Leningrado-Moscú y en muchos otros lugares donde las temperaturas son muy bajas, cada invierno desaparecen varios centenares de
metros de alambre telefónico, sin que nadie se moleste en tomar medidas a
pesar de que los culpables son bien conocidos. Hasta usted los conoce: son
las heladas. Podemos afirmar, sin ninguna clase de objeciones, que la línea
telefónica Leningrado-Moscú es 500 m más corta en invierno que en verano.
Las heladas roban impunemente, en invierno, cerca de medio kilómetro de
alambre, sin que esto perjudique en lo más mínimo el funcionamiento del teléfono. Pero también es verdad que, en cuanto llega el calor, devuelven puntualmente lo que se llevaron. Ahora, cuando esta contracción por el frío se
produce, no en los alambres, sino en los puentes, las consecuencias suelen
ser más sensibles. He aquí lo que comunicaban los periódicos en diciembre
de 1927 sobre uno de estos casos:
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Las extraordinarias heladas que durante varios días se han dejado sentir en Francia, han causado serios desperfectos en uno de los puentes sobre el Sena, en el mismo centro de París. La armadura férrea del
puente se contrajo por el frío, lo cual dio lugar a que los adoquines del
pavimento se levantaran y diseminaran. El tránsito por el puente ha
sido cerrado temporalmente.
Lo mismo sucede en caso de dilatación de los materiales, lo cual es mucho
más común en zonas cálidas; por ejemplo, seguramente has visto alguna vez
una acera agrietada y levantada; esto sucede debido a que las altas temperaturas que alcanza el concreto ocasionan una expansión y, al no haber espacio
suficiente para la dilatación, la única salida posible es el quebrantamiento de
las aceras dejándolas inútiles para lo que fueron creadas inicialmente.
¿Habías escuchado antes sobre esto? ¿Por qué es importante dejar espacio
suficiente entre dos paños de cemento consecutivos? ¿A qué se deben estas
dilataciones o contracciones? ¿Depende del material del que estén hechas las
construcciones y el cableado?
El reto es...
Podrías determinar cuál es la diferencia entre las longitudes del puente
General Rafael Urdaneta en el día y en las noches? a) Suponiendo que su longitud en el medio día (a 45 ºC) es de 8.678,90 m y que en las noches alcanza
una temperatura de 25 ºC. b) ¿Qué pasaría si en algún momento alcanzara
una temperatura de -6 ºC? (utiliza el coeficiente de dilatación lineal del concreto, α= 1.2 x 10-5 °C-1).
Vamos al grano
Cuando aumenta la temperatura del sólido, se produce un incremento en
la agitación de sus partículas, haciendo que al vibrar se alejen más de la
posición de equilibrio. De esta forma, la fuerza que se manifiesta entre las
partículas es tal que la distancia media entre ellas se vuelve mayor, ocasionando la dilatación del cuerpo o sustancia. A continuación, te mostremos
las formas en que se puede presentar dicha dilatación.
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En la dilatación lineal predomina la variación en una dimensión de un
cuerpo, es decir: el largo. Por ejemplo, en la dilatación de hilos o barras de
cierta longitud inicial, Lo, se produce un incremento de longitud, ∆L, que es
proporcional a la longitud inicial Lo y al incremento en la temperatura, ∆T.
Esto se representa simbólicamente como: ∆L=α.Lo.∆T. La letra griega α (alfa)
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funciona en la expresión como un coeficiente de proporcionalidad y se denomina coeficiente de dilatación lineal.
Figura 7
En el estudio de la dilatación superficial, es decir, el aumento del área de
un objeto producido por una variación de temperatura, se observan cambios
que siguen un comportamiento muy similar a la dilatación lineal. Considera
una placa de área inicial So al elevar su temperatura en ∆T, el área sufre una
dilatación ∆S. La representación simbólica matemática del modelo que describe este comportamiento de la materia es: ∆S = β. So.∆T. El coeficiente β se
denomina coeficiente de dilatación superficial y se considera β= 2α
Figura 8
De manera idéntica comprobamos que la dilatación volumétrica, es decir,
la variación del volumen de un cuerpo con un aumento ∆T de la temperatura, sigue el mismo comportamiento que la lineal y la superficial. Por tanto, si
un cuerpo de volumen inicial So tiene un aumento en la temperatura ∆T, su
volumen se incrementa ∆S = Sf - So, siguiendo así el mismo modelo, el cual se
expresa en su forma simbólica matemática como: ∆V = γ Vo.∆T. El coeficiente
γ (gamma), se denomina coeficiente de dilatación volumétrica y para un material se puede demostrar que γ = 3α.
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Figura 9
Además de la dilatación térmica en los cuerpos o sustancias, también ocurren otras transformaciones cuando son expuestos a altas cantidades de calor,
nos referimos a los cambios de estado o de fases.
Cambios de estado o de fase: los cuerpos o sustancias se pueden encontrar
en diferentes estados o fases. Dependiendo de la temperatura del ambiente,
pueden estar en estado sólido, líquido o gaseoso; cuando se encuentran en
una fuente de calor, pueden llegar a cambiar de fase a través de diferentes
procesos.
Cuando se cambia de líquido a gas o viceversa, se considera el calor latente
de evaporación, que es la cantidad de energía necesaria para cambiar una
unidad de masa de sustancia de líquido a gas (y viceversa) y se consideran tres
procesos fundamentales:
1.Evaporación: cambio de fase de líquido a gas.
2.Condensación: cambio de fase de gas a líquido.
3.Ebullición: evaporación rápida dentro de un líquido y también en la
superficie.
Cuando una sustancia cambia su estado de sólido a líquido, se considera el
calor latente de fusión, que es la cantidad de energía necesaria para cambiar
una unidad de masa de sustancia de sólido a líquido (y viceversa). Y pueden
identificarse tres procesos:
1.Fusión: cambio de fase de sólido a líquido.
2.Congelación: cambio de fase de líquido a sólido.
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3.Regelamiento: proceso de fusión a presión y regreso subsiguiente a
congelación cuando se quita la presión.
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Un ejemplo de regelamiento ocurre cuando el alambre pasa en forma gradual a través del hielo sin cortarlo a la mitad.
Adicionalmente existe un cambio de fase muy particular: es el proceso de
sublimación, mediante el cual se explica el cambio de fase de sólido a gas, sin
pasar por la fase líquida. Un ejemplo de una sustancia que sublima a temperatura ambiente y a presión atmosférica es el hielo seco (CO2 en estado sólido).
Para saber más…
Experimenta con el simulador “Estados de la materia” (disponible en
http://li.co.ve/van). Aumenta la temperatura de las diferentes sustancias
y observa el movimiento en sus moléculas.
1. Observa la diferencia entre el movimiento de las moléculas en estado
sólido, líquido y gaseoso.
2. Anota sus puntos de ebullición y de fusión y conviértelos a grados
Celsius. ¿Podríamos tener oxígeno líquido en una nevera?
Investiga sobre la dilatación térmica y observa los diferentes coeficientes de dilatación en el siguiente link: http://li.co.ve/vao
Aplica tus saberes
La dilatación térmica depende del material. Existen algunos materiales que
son muy sensibles a la temperatura y aumentan o disminuyen rápidamente
su longitud con una pequeña variación de temperatura, tal es el caso del cobre y el mercurio. Otros no varían tanto, pero igual se debe considerar dicha
dilatación en cualquier construcción.
El puente sobre el lago de Maracaibo tiene algunas aberturas (llamadas juntas) que permiten la expansión y compresión de su longitud debido al cambio
de temperaturas. Esas uniones metálicas se pueden ver cada cierta distancia
(aproximadamente 200 m) en todo el puente. Sin embargo, dichas juntas tie-
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nen su expansión máxima, que puede ser de 10 a 20 cm aproximadamente; así, en caso de expansión del concreto, las juntas se cierran quedando lo
más pegadas posibles, pero, en caso de compresión del concreto, las juntas
se abren de manera que puedan compensar la parte del puente que se ha
comprimido.
Si esta compresión fuese extrema, llegaría al punto de colapsar el puente,
debido a que las juntas no podrían compensar dicha compresión. Con los saberes adquiridos, ya estamos en capacidad de calcular la dilatación lineal del
puente y de determinar lo que pasaría si la ciudad de Maracaibo llegara a
unos sorprendentes -6 ºC.
Comprobemos y demostremos que…
Discute y compara tus resultados y respuestas con el resto de los participantes. La comparación de los resultados les ayudará a determinar si los cálculos
que realizaron son correctos y si han desarrollado las competencias necesarias en el aprendizaje de la termodinámica.
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