Ciencias Físicas 2º año Prof. Manuela Varela

FICHA DE TRABAJO: PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS MATERIALES

Muchas veces hemos observado en el informativo cuadros como el siguiente:

O cuando estamos enfermos has escuchado decir “tiene fiebre, casi 39” ¿A qué propiedad se está haciendo referencia? .............................................................................................................. ¿Cómo definirías esta propiedad, teniendo en cuenta el instrumento con el cuál se mide? De acuerdo a los diferentes tipos de propiedades trabajadas en el curso ¿qué tipo de propiedad es? ................................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................................

ENERGÍA INTERNA Y TEMPERATURA

La energía interna de un cuerpo se debe a la agitación constante de sus partículas y a la interrelación entre ellas. Cuando un cuerpo se encuentra a elevadas temperaturas sus partículas se mueven muy rápido (o sea que poseen gran cantidad de energía cinética). Cuando un cuerpo se encuentra a bajas temperaturas, las partículas se mueven más despacio (o sea poseen menor cantidad de energía cinética).

Una mayor temperatura, supone mayor agitación de las partículas

CALOR Y TEMEPERATURA SON MAGNITUDES DIFERENTES

Acostumbramos a decir (en forma incorrecta) que un cuerpo está “caliente”, cuando lo correcto es decir que se encuentra a elevada temperatura. Por este motivo, es necesario saber diferenciar los siguientes conceptos:

Magnitud Características

Temperatura - es una propiedad de los sistemas que no se transfiere - se mide con el termómetro - la medida se expresa comúnmente en ºC (grados Celsius) o K (Kelvin)

Calor - es una forma de transferencia de energía cuando dos sistemas se encuentran en contacto a diferente temperatura

- la medida se expresa en unidades de energía: joule, caloría

Trabajo - es una forma de transferencia de energía cuando al aplicar una fuerza sobre un sistema, éste se mueve

- la medida se expresa en unidades de energía: joule, caloría

LA TEMPERATURA DE UN CUERPO ESTÁ DIRECTAMENTE RELACIONADA CON LA ENERGÍA CINÉTICA (ENERGÍA RELACIONADA CON

EL MOVIMIENTO)

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LA ACCIÓN DE LA TEMPERATURA EN LOS MATERIALES: DILATACIÓN TÉRMICA

Casi todos los sólidos se dilatan cuando aumenta su temperatura e inversamente se encogen al disminuir la misma. Esta dilatación o

contracción es pequeña, pero sus consecuencias pueden ser relevantes. Por ej.: un puente de metal de 50m de largo que pase de

una temperatura de 0º C a 50º C, podrá aumentar unos 12 cm de longitud y si sus extremos son fijos se producirían tensiones

sumamente peligrosas. Por este motivo, se suele montarlos sobre rodillos como muestra la ilustración:

En las vías del ferrocarril se procura dejar un espacio entre los rieles por la misma razón; este intersticio es el causante del traqueteo

de los vagones:

Abajo se muestra una tabla de coeficientes de dilatación de algunas sustancias. Conocido el coeficiente de dilatación, es necesario

multiplicarlo por el número de centímetros y por el número de grados Celsius, para saber cuál será la extensión total del material, en

las condiciones que deberá soportar.

Coeficientes de dilatación lineal (por cada ºC de temperatura y centímetro de longitud)

Aluminio 0,000024

Bronce 0,000018

Hormigón 0,000018

Cobre 0,000017

Fundición de hierro 0,000012

Acero 0,000013

Vidrio térmico 0,000003

Vidrio comercial 0,000011

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¿POR QUÉ SE DILATAN LAS SUSTANCIAS CUANDO AUMENTA LA TEMPERATURA?

Como vimos anteriormente, la temperatura no es más que la expresión del grado de agitación de las partículas de una sustancia, por

lo tanto, si se transfiere calor a un sólido se está transfiriendo energía a sus partículas y éstas, estimuladas, vibran más

enérgicamente. Es cierto que las partículas no varían de volumen; pero se labran un espacio más grande para su mayor oscilación, de

manera que al aumentar la distancia entre partícula y partícula, el sólido se dilata.

La dilatación térmica de los materiales puede aprovecharse y tiene aplicaciones industriales muy importantes. El aluminio, por

ejemplo, se dilata dos veces más que el hierro. Si soldamos en una barra dos tiras paralelas de estos metales y la calentamos, la

mayor dilatación del aluminio hará que la barra se doble hacia un lado; y si la enfriamos ocurrirá exactamente al contrario.

Existen así muchos dispositivos que cortan la corriente eléctrica, o aparatos que desencadenan algún otro proceso, cuando la

temperatura de los materiales llega a un punto crítico.

DATOS INTERESANTES:

• En las carreteras de hormigón o en los embaldosados de gran tamaño se ven, a intervalos regulares líneas de material asfált ico

destinadas a absorber las dilataciones producidas por el calor; de otro modo la construcción saltaría en pedazos en los días de mucho

sol.

• El vidrio común es un mal conductor del calor y se dilata apreciablemente; si vertemos agua hirviendo en un vaso grueso, la parte

interior aumenta su temperatura y se expande, mientras que la parte exterior mantiene su temperatura y por lo tanto está encogida, de

modo que el recipiente se puede romper. Si previamente, colocamos una cuchara, que sea capaz de absorber el calor,

neutralizaremos en parte la brusquedad del ataque y posiblemente, salvaremos el vaso.

• El vidrio pirex se usa para cambios bruscos de temperatura, simplemente porque su coeficiente de dilatación es muy bajo y se libra

así del peligro de ruptura.

• Los líquidos se dilatan más que los sólidos: el mercurio sube en el termómetro clínico o de laboratorio, porque se dilata más que el

recipiente de vidrio que lo contiene.

• Los gases, cuyas partículas son más libres, tienden a dilatarse más que los líquidos.

LA DILATACIÓN TÉRMICA Y LOS TERMÓMETROS

El calor dilata los gases, los líquidos y los sólidos; por lo tanto, todos ellos podrían, en principio, ser útiles para medir temperaturas.

Existen diferentes tipos de termómetros según sus usos:

PIRÓMETRO ÓPTICO: se utilizan en fábricas de vidrio, fundiciones, donde se trabaja a altas temperaturas (entre 700 y 3200°C).

Estos termómetros se basan en la emisión de luz de ciertas sustancias al aumentar la temperatura, la cual es captada por un sensor y el instrumento lo transforma en un determinado valor de temperatura. La medición debe realizarse a cierta distancia.

TERMOCUPLAS: se utilizan a nivel industrial, para realizar mediciones en forma rápida y en lugares pequeños. Su

funcionamiento se basa en una propiedad eléctrica que cambia al variar la temperatura (son dispositivos electrónicos).

TERMÓMETROS DE LÍQUIDO: contiene un líquido cuyo volumen cambia al variar la temperatura. Estos termómetros utilizan la diferencia de dilatación entre los líquidos, cuyos coeficientes se miden en milésimas y el recipiente sólido, que se expande por millonésimas (al aumentar la temperatura el líquido se dilata y al disminuir la misma, el líquido se contrae) Para que la dilatación sea más visible existe un bulbo o depósito voluminoso de líquido y un tubo capilar muy delgado, que refleja con gran sensibilidad cualquier variación de volumen. Claro está que si el bulbo es muy grande tardará mucho en calentarse y el termómetro será lento.

Dentro de este tipo, hay varios termómetros diferentes como por ejemplo:

TERMÓMETRO CLÍNICO: de uso doméstico

TERMÓMETRO DE LABORATORIO: El que vamos a utilizar en el curso

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Partes de un TERMÓMETRO DE LABORATORIO:

TERMÓMETRO CLÍNICO Y TERMÓMETRO DE LABORATORIO Si bien ambos termómetros constan de las mismas partes, tienen algunas diferencias:

Diferencias en la escala (rango y apreciación)

Termómetro Rango Apreciación

Clínico 35°C a 43°C 0,1°C

Laboratorio -10°C a 150°C 1°C

Diferencias en el capilar

Clínico

El capilar cerca del bulbo se curva y se angosta más. Hay un estrangulamiento. Debido a esto el termómetro clínico es un termómetro de máxima, ya que si bien la temperatura del termómetro disminuye, una vez que se retira de la axila, el mercurio (sustancia termométrica) no baja. A pesar de que el mercurio se contrae, al disminuir la T, no puede pasar por el estrangulamiento por lo que queda marcada la medida máxima de temperatura. Es necesario que el bulbo permanezca en contacto con el cuerpo para realizar la medición

Laboratorio El capilar tiene el mismo diámetro en toda su extensión (no tiene estrangulamiento)

Tubo de vidrio exterior: tiene aproximadamente 30cm de largo. Es muy frágil ya que

es largo, fino y de vidrio, por lo cual hay que utilizarlo con cuidado

Capilar: Tubo de vidrio interior. Tiene diámetro muy pequeño y un ensanchamiento en su extremo inferior (Capilar=proviene de la palabra cabello, muy fino)

Bulbo: ensanchamiento del tubo capilar que funciona como depósito de la sustancia líquida

Sustancia termométrica: es el líquido contenido en el termómetro que generalmente es mercurio o alcohol coloreado

Escala termométrica: intervalo dividido que aparece sobre el tubo de vidrio exterior o en una placa de plástico ubicado detrás del capilar. La unidad de medida de la escala, la apreciación y el rango es propio de cada termómetro, pero generalmente es en °C (grado Celsius)