Calor y Temperatura Dilatación Térmica Prof. Jorge Moy

Calor y temperatura Calor: Es una forma de energía que se manifiesta cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto. Esta energía esta relacionada con la energía cinética de los movimientos caóticos de las partículas del medio. Temperatura: Es una magnitud física fundamental que está relacionada con el grado de oscilación de las partículas que conforman un cuerpo o medio. Calor y temperatura son magnitudes físicas relacionadas pero son diferentes.

Calor: Es una forma de energía que se manifiesta cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto. Esta energía esta relacionada con la energía cinética de los movimientos caóticos de las partículas del medio.

Temperatura: Es una magnitud física fundamental que está relacionada con el grado de oscilación de las partículas que conforman un cuerpo o medio. Calor y temperatura son magnitudes físicas relacionadas pero son diferentes.

Escalas de Temperatura Escala Relativa Escala Celsius ( o C): Esta escala usa el agua pura para la determinación de los puntos de definición. A la temperatura de congelación del H 2 O se le asigna el 0 de la escala. Al punto de ebullición del H 2 O se la asigna el valor 100 de la escala. Escala Absoluta Escala Kelvin (K): Esta escala usa el cero absoluto como el cero de la escala. El tamaño del grado Kelvin es igual al del grado Celsius.

Escala Relativa

Escala Celsius ( o C): Esta escala usa el agua pura para la determinación de los puntos de definición. A la temperatura de congelación del H 2 O se le asigna el 0 de la escala. Al punto de ebullición del H 2 O se la asigna el valor 100 de la escala.

Dilatación Térmica La mayoría de las sustancias en la naturaleza se expanden al aumentar su temperatura. Esto se debe fundamentalmente a que al aumentar su temperatura las moléculas tienden a ocupar un mayor espacio en sus oscilaciones caóticas Dependiendo de las relaciones de valor entre las dimensiones de los cuerpos se pueden tener: Expansión lineal: Cuando una de las dimensiones es mucho mayor que las otras dos. Expansión superficial Cuando dos de las dimensiones son mucho mayores que la otra. Expansión volumétrica: Cuando las tres dimensiones son del mismo orden de magnitud.

La mayoría de las sustancias en la naturaleza se expanden al aumentar su temperatura. Esto se debe fundamentalmente a que al aumentar su temperatura las moléculas tienden a ocupar un mayor espacio en sus oscilaciones caóticas

Dependiendo de las relaciones de valor entre las dimensiones de los cuerpos se pueden tener:

Expansión lineal: Cuando una de las dimensiones es mucho mayor que las otras dos.

Expansión superficial Cuando dos de las dimensiones son mucho mayores que la otra.

Expansión volumétrica: Cuando las tres dimensiones son del mismo orden de magnitud.

Fórmulas matemáticas Expansión lineal Suponga una barra de longitud L 0 a temperatura T 0 , que se calienta a una temperatura T f , incrementando su longitud a L f .  = coeficiente de expansión lineal  L Expansión superficial Suponga una placa de área inicial A 0 a temperatura T 0 , que se calienta a una temperatura T f , incrementando su superficie a A f .  = coeficiente de expansión superficial  Expansión volumétrica Suponga un cubo de volumen V 0 a temperatura T 0 , que se calienta a una temperatura T f , incrementando su volumen a V f .  = coeficiente de expansión lineal 

Expansión lineal

Suponga una barra de longitud L 0 a temperatura T 0 , que se calienta a una temperatura T f , incrementando su longitud a L f .

 = coeficiente de expansión lineal

Expansión superficial

Suponga una placa de área inicial A 0 a temperatura T 0 , que se calienta a una temperatura T f , incrementando su superficie a A f .

 = coeficiente de expansión superficial



Expansión volumétrica

Suponga un cubo de volumen V 0 a temperatura T 0 , que se calienta a una temperatura T f , incrementando su volumen a V f .

 = coeficiente de expansión lineal



Coeficientes de expansión térmica

Expansión térmica

Ejercicios Un cubo de hielo descansa sobre una tira bimetálica a temperatura ambiente ¿Qué sucederá si a) la tira superior es de aluminio y la inferior es de latón? b) la tira superior es de hierro y la inferior es de cobre? c) el cubo es de material caliente en vez de hielo y las dos tiras son de latón y cobre, ¿cuál deberá estar arriba para que el bloque no caiga? Tira bimetálica

Un cubo de hielo descansa sobre una tira bimetálica a temperatura ambiente ¿Qué sucederá si a) la tira superior es de aluminio y la inferior es de latón? b) la tira superior es de hierro y la inferior es de cobre? c) el cubo es de material caliente en vez de hielo y las dos tiras son de latón y cobre, ¿cuál deberá estar arriba para que el bloque no caiga?

Una viga de acero de 10 m de longitud se instala en una estructura a 20 ° C ¿Cómo cambia la longitud en los extremos de temperatura de -30 ° C y 45 ° C ? Se vierten planchas de concreto de 5,0m de longitud en una autopista ¿Qué anchura deberán tener las ranuras de expansión entre las planchas a una temperatura de 20 ° C para garantizar que no habrá contacto entre planchas adyacentes dentro de un intervalo de temperaturas de -25 ° C y 45 ° C ? Se recorta una pieza circular de lámina de aluminio a temperatura ambiente. a) si la lámina se coloca después en un horno, ¿el agujero 1) se hará más grande 2) se encogerá o 3) no cambiará de tamaño? ¿Por qué? b) Si el diámetro del agujero es de 8,00 cm a 20 ° C y la temperatura del horno es 150 ° C ¿Qué área tendrá el agujero? Cierta mañana una persona llena el tanque de gasolina de acero de su auto hasta el tope y lo estaciona. Si en la tarde la temperatura se eleva ¿se derrama la gasolina o no?. Si la elevación de temperatura es de 10 ° C y la capacidad del tanque en la mañana es 25 galones ¿Cuánta gasolina se perderá?

Una viga de acero de 10 m de longitud se instala en una estructura a 20 ° C ¿Cómo cambia la longitud en los extremos de temperatura de -30 ° C y 45 ° C ?

Se vierten planchas de concreto de 5,0m de longitud en una autopista ¿Qué anchura deberán tener las ranuras de expansión entre las planchas a una temperatura de 20 ° C para garantizar que no habrá contacto entre planchas adyacentes dentro de un intervalo de temperaturas de -25 ° C y 45 ° C ?

Se recorta una pieza circular de lámina de aluminio a temperatura ambiente. a) si la lámina se coloca después en un horno, ¿el agujero 1) se hará más grande 2) se encogerá o 3) no cambiará de tamaño? ¿Por qué? b) Si el diámetro del agujero es de 8,00 cm a 20 ° C y la temperatura del horno es 150 ° C ¿Qué área tendrá el agujero?

Cierta mañana una persona llena el tanque de gasolina de acero de su auto hasta el tope y lo estaciona. Si en la tarde la temperatura se eleva ¿se derrama la gasolina o no?. Si la elevación de temperatura es de 10 ° C y la capacidad del tanque en la mañana es 25 galones ¿Cuánta gasolina se perderá?