JUAN CARLOS SALAZAR RAMIREZ

INTRODUCCIÓN

Los efectos más comunes que ocasionan las

variaciones de temperatura en los cuerpos o

sustancias, son los cambios de sus dimensiones y los

cambios de fase. Nos referiremos a

los cambios de dimensiones de los cuerpos sin que se

produzcan cambios de fase.

Llamamos dilatación al cambio de dimensiones que

experimentan los sólidos, líquidos y gases cuando se

varía la temperatura, permaneciendo la presión

constante. La mayoría de los sistemas aumentan sus

dimensiones cuando se aumenta la temperatura.

La dilatación térmica corresponde al efecto de que las

sustancias se "agrandan" al aumentar la temperatura. En

objetos sólidos, la dilatación térmica produce un cambio en las

dimensiones lineales de un cuerpo, mientras que en el caso de

líquidos y gases, que no tienen forma permanente, la dilatación

térmica se manifiesta en un cambio en su volumen.

Tipos de Dilatación:

Dilación Lineal

Dilatación volumétrica

Dilatación superficial: La dilatación superficial se refiere a la

variación de superficie que experimentan: planchas metálicas,

baldosas, vidrios de ventanas, discos, etc.

Consideremos primero la dilatación térmica de un objeto sólido, cuyas dimensiones lineales se pueden representar por Li , y que se dilata en una cantidad ΔL. Experimentalmente se ha encontrado que para casi todas las sustancias y dentro de los límites de variación normales de la temperatura, la dilatación lineal ΔL es directamente proporcional al tamaño inicial Li y al cambio en la temperatura Δt, es decir:

∆L = λ • Li • ∆t

Donde λ se llama coeficiente de dilatación lineal (variación de longitud que experimenta una barra en 1cm, 1m, 1 pie, etc. cuando la temperatura varia 1ºC) y que es característico para cada sustancia. cuya unidad es el recíproco del grado, es decir

EJEMPLO 1: UNA TUBERÍA DE COBRE MIDE 90 M DE LARGO A 20 0C. ¿CUÁL ES

NUEVA LONGITUD CUANDO A TRAVÉS DE LA TUBERÍA PASA VAPOR A 1000C?

Dt = 1000C - 200C = 80 C0 Lo = 90 m, t0= 200C

DL = aLoDt = (1.7 x 10-5/C0)(90 m)(80 C0)

DL = 0.122 m L = Lo + DL

L = 90 m + 0.122 m

L = 90.12 m

Las juntas de dilatación son necesarias para permitir que el concreto se

dilate, y las tiras bimetálicas se pueden usar como termostatos o para abrir

y cerrar circuitos.

La dilatación térmica de un líquido o un gas se observa como un cambio de volumen ΔV en una cantidad de sustancia de volumen Vi, relacionado con un cambio de temperatura Δt. En este caso, la variación de volumen ΔV es directamente proporcional al volumen inicial Vi y al cambio de temperatura Δt, para la mayor parte de las sustancias y dentro de los límites de variación normalmente accesibles de la temperatura, es decir:

∆V = β • Vi • ∆t

Donde β se llama coeficiente de dilatación volumétrica, medida en la

misma unidad que el coeficiente de dilatación lineal.

β=3 λ

Coeficiente de dilatación superficial

γ=2λ

Como ya sabemos cuando la temperatura de una sustancia aumenta, sus moléculas se agitan más aprisa y normalmente tiende a separarse. Esto da como resultado la expansión de la sustancia.

Si las aceras de concreto y el pavimento de las carreteras se tendiesen como una pieza continua, se formarían grietas a causa de la expansión y la contracción ocasionales por las diferencias de temperatura que sufre durante el día y durante las estaciones del año.

Los rieles de ferrocarril están separados una cierta distancia una de otra, debido a que sufren expansión y contracción al igual que todas las sustancias. Por eso en el invierno a los trenes se les nota más los saltos que dan, por que los rieles sufrieron contracción, y en verano se notan menos los saltos, porque la distancia de los rieles es mas corta debido a la expansión que sufren.

El volumen es una magnitud escalar definida como el espacio ocupado por

un objeto. Es una función derivada ya que se halla multiplicando las tres

dimensiones.

La unidad de medida de volumen en el Sistema Internacional de Unidades

es el metro cúbico, aunque temporalmente también acepta el litro, que se

utiliza comúnmente en la vida práctica.

Es la cantidad de espacio que ocupa un cuerpo.

El volumen es una magnitud física derivada. La unidad para medir

volúmenes en el Sistema Internacional es el metro cúbico (m3) que

corresponde al espacio que hay en el interior de un cubo de 1 m de lado.

Sin embargo, se utilizan más sus submúltiplos, el decímetro cúbico (dm3) y

el centímetro cúbico (cm3). Sus equivalencias con el metro cúbico son:

1 m3 = 1 000 dm3

1 m3 = 1 000 000 cm3

Para medir el volumen de los líquidos y los gases también podemos fijarnos

en la capacidad del recipiente que los contiene, utilizando las unidades de

capacidad, especialmente el litro (l) y el mililitro (ml). Existe una

equivalencias entre las unidades de volumen y las de capacidad:

1 l = 1 dm3 1 ml= 1 cm3

UNIDADES DE VOLUMEN

Se clasifican de la siguiente manera en tres categorías:

Unidades de volumen sólido: Miden al volumen de un cuerpo

utilizando unidades de longitud elevadas a la tercera potencia. Se le

dice volumen sólido porque en geometría se utiliza para medir el

espacio que ocupan los cuerpos tridimensionales, y se da por hecho

que el interior de esos cuerpos no es hueco sino que es sólido.

Unidades de volumen líquido. Estas unidades fueron creadas para

medir el volumen que ocupan los líquidos dentro de un recipiente.

Unidades de volumen de áridos, también llamadas

tradicionalmente unidades de capacidad. Estas unidades fueron

creadas para medir el volumen que ocupan las cosechas (legumbres,

tubérculos, forrajes y frutas) almacenadas en graneros y silos. Estas

unidades fueron creadas porque hace muchos años no existía un

método adecuado para pesar todas las cosechas en un tiempo breve,

y era más práctico hacerlo usando volúmenes áridos. Actualmente

estas unidades son poco utilizadas porque ya existe tecnología para

pesar la cosecha en tiempo breve.

Para medir el volumen de cuerpos regulares utilizamos las siguientes ecuaciones matemáticas:

Todos los cuerpos materiales, sean sólidos, líquidos

o gases, tienen una parte exterior y otra interior. Se

llama superficie a la parte exterior de los cuerpos.

Por ejemplo: El sol es una bola de gas

incandescente, lo que nosotros vemos es su

superficie. La superficie del agua de una piscina es el

agua que está en contacto con el aire y con las

paredes de la piscina, la superficie de los objetos

sólidos que estamos viendo a nuestro alrededor es la

parte del sólido en contacto con el aire.

Una superficie es aquello que sólo tiene longitud y anchura.

Nombre Símbolo Equivalencia

kilómetro

cuadrado km2 106 m2

hectómetro

cuadrado hm2 104 m2

decámetro

cuardrado dam2 102 m2

metro cuadrado m2 1 m2

decímetro

cuadrado dm2 10-2 m2

centímetro

cuadrado cm2 10-4 m2

milímetro

cuadrado mm2 10-6 m2

UNIDADES DE SUPERFICIE

La unidad de superficie es el metro cuadrado, que es la superficie de un cuadrado de un metro de lado. Las unidades de superficie más utilizadas son las siguientes:

Nombre Símbolo Equivalencia

hectárea ha 104 m2

área a 102 m2

centiárea ca 1 m2

Unidades agrarias: Las unidades para medir superficies de terrenos se llaman agrarias y son:

ÁREA DE LAS FIGURAS PLANAS

INTRODUCCIÓN: Toda la materia (sólida, liquida y gaseosa) se compone de

átomos y moléculas en continua agitación. En virtud de este movimiento aleatorio, los átomos y las moléculas de la materia tienen energía cinética. La energía cinética promedio de estas partículas individuales causa un efecto que podemos percibir: el calor. Siempre que un objeto se calienta aumenta su energía cinética de sus átomos o moléculas.

La cantidad que nos dice qué tan caliente o que tan frió

está un objeto en comparación con una referencia es la temperatura.

La experiencia muestra que dos objetos a temperaturas

iniciales diferentes cuando se ponen en contacto uno con otro, al pasar el tiempo alcanzarán una temperatura intermedia

Cuando los objetos que están en contacto térmico alcanzan la misma temperatura, ya no fluye calor entre ellos, decimos que los objetos están en equilibrio térmico. La energía intercambiada entre objetos, gracias a una diferencia de temperatura, recibe el nombre de calor. Dos objetos se encuentran en contacto térmico entre si, cuando pueden intercambiar calor entre ellos. Ejemplo: Cuando dejas que un queque recién hecho, se enfrié a temperatura ambiente, lo que esta ocurriendo es un equilibrio térmico entre el queque y el aire, en este caso el aire se calienta y el queque se enfría.

EQUILIBRIO TÉRMICO

EQUILIBRIO DE TEMPERATURA

El calor se define como la

transferencia de energía

térmica debido a una

diferencia en

temperatura.

Carbones

calientes

Agua fría Misma temperatura

Equilibrio térmico

Contenedor

aislado

Dos objetos están en

equilibrio térmico si y

sólo si están a la misma

temperatura.

Es la escala de temperatura de uso mas extendido, la escala internacional, se asigna el numero 0 a la temperatura a la cual el agua se congela, y el numero 100 a la temperatura a la cual el agua hierve (a la presión de una atmósfera). El intervalo entre el punto de congelación y de ebullición se divide en 100 partes iguales llamadas grado. Esta escala de temperatura es la escala Celsius.

En la escala de temperatura que es de uso común en Estados Unidos el numero 32 designa la temperatura de congelación del agua, y se asigna el numero 212 a la temperatura de ebullición del agua. Esta escala de temperatura se conoce como escala Fahrenheit. Esta escala se hará obsoleta si Estados Unidos adopta el sistema métrico.

ºF = 9/5 • ºC + 32 ºC = 5/9 • (ºF – 32)

La escala que se emplea en la investigación científica es la del SI: la escala Kelvin. Sus grados son del mismo tamaño que los grados Celsius y se llaman “Kelvin”. En la escala Kelvin el numero 0 se asigna a la temperatura mas baja posible: el cero absoluto. A la temperatura del cero absoluto las sustancias ya no tienen energía cinética que ceder. El 0 de la escala Kelvin, o cero absoluto, corresponde a -273º en la escala Celsius.

ºK = 273 + ºC

ESCALA TERMOMÉTRICA

LIMITACIONES DE LAS ESCALAS

RELATIVAS

El problema más serio con las escalas

Celsius y Fahrenheit es la existencia

de temperaturas negativas.

Claramente, ¡la energía cinética promedio por

molécula NO es cero o en 0 0C o en 0 0F!

¿-25 0C?

T = kX = ¿0?

El termómetro más conocido es el de líquido de

mercurio o alcohol coloreado, que se compone

de un tubo capilar (vidrio) ensanchado en su

extremo inferior. Al aumentar la temperatura en

el termómetro se expande el líquido, (el tubo de

vidrio también se expande, pero muy poco, por

lo que es despreciable) ascendiendo por el

capilar. Por otra parte si disminuye la

temperatura del termómetro, el líquido se

contraerá, produciéndose un descenso del

líquido.

Un termómetro es cualquier dispositivo que, mediante escalas marcadas,

puede dar una indicación de su propia temperatura.

TERMÓMETRO A VOLUMEN

CONSTANTE

Válvul

a

Volumen

constante

de un gas.

(Aire, por

ejemplo)

Presión

absoluta

La búsqueda para un

cero verdadero de

temperatura se puede

hacer con un

termómetro a volumen

constante.

Para volumen

constante:

T = kP

La presión varía con la temperatura.