Dilatación
03 dic, 2011
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PDFVariando el volumen
PRESENTACIÓN: A temperatura ambiente la bola puede ser fácilmente introducida a través del anillo metálico. Cuando la bola se calienta el aumento en su diámetro debido a la dilatación térmica evita poder atravesar el anillo.
- Using a Michelson Interferometer to Measure Coefficient of Thermal Expansion of Copper, Ryan Scholl and Bruce W. Liby, Phys. Teach. 47, 306 (2009)
- Thermal contraction and stretching, Carl H. Hayn, Phys. Teach. 36, 14 (1998)
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La dilatación ocurre porque cuando se calientan metales las moléculas que forman la pieza empiezan a vibrar energéticamente y eso produce que aumente el volumen.
La dilatación es un efecto que hay que tener en cuenta cuando se construyen puentes o raíles con metales. Se debe dejar espacios entre las piezas porque cuando aumenta la temperatura de las piezas se dilatan y estarían soportando mucha presión por lo que puede llegar a ser muy peligroso.
Este fenómeno también se utiliza en la fabricación de los termómetros clínicos de mercurio… que ahora empiezan a dejar de utilizarse por su toxicidad.
Como bien apunta Noa, este experimento puede ser trasladado a la realidad en la utilización de los materiales de construcción, que se dilatan y contraen con el cambio de temperatura. Pues bien, parece ser que en Galicia hemos sido pioneros en la construcción de un puente de casi dos kilómetros de longitud sin juntas de dilatación…
Adjunto un vídeo que explica el mismo concepto con la misma demostración que el vídeo de clickonphysics pero que apenas dura un minuto por lo que creo que no resulta tan pesado de ver.
A continuación podría hablarse de los tipos de dilatación que existen: volumétrica (que se corresponde con el primer vídeo), la lineal (el segundo vídeo) y la dilatación superficial.
Además, cabe añadir que los líquidos también sufren este fenómeno (dilatación volumétrica) como lo que pasa con el mercurio en los termómetros.
Experimentalmente se observa que todas las sustancias salvo excepciones se dilatan al aumentar la temperatura. Esta dilatación es normalmente pequeña en términos relativos. Sin embargo, cuando este fenómeno tiene lugar en la arquitectura o en la ingeniería, puede dar lugar a un gran problema práctico. Además, la dilatación térmica puede influir en nuestra vida cotidiana como por ejemplo; en la dilatación de las vías del tren, en la rotura de vasos de cristal ante cambios bruscos de temperatura o cuando se visualizan grietas en las construcciones de hormigón.
La asimilación del término dilatación térmica, enseñado desde el punto de vista conceptual, puede ser muy complicada. La visualización de vídeos o la realización de experimentos, puede ayudar al docente a desempeñar más fácilmente su función, al mismo tiempo que ayuda al alumno a entender mejor el concepto.
Cuando se aumenta la temperatura de un cuerpo, ya sea líquido o sólido aumentamos la agitación de las partículas que forman ese cuerpo. Esto causa un alejamiento entre las partículas, dando lugar a un aumento en las dimensiones del cuerpo, que se denomina dilatación térmica.
Como apuntaban mis compañeros, la dilatación puede ser un problema en la construcción de casas, puentes y carreteras, sobre todo cuando los materiales implicados son metálicos. En cuyo caso se deja un espacio para prevenir que la dilatación térmica pueda ocasionar torceduras o fracturas en la estructura. Sin embargo, la dilatación térmica tiene muchas aplicaciones como la medición de temperatura y el efecto de la deformación de los metales, principalmente, se puede usar para la fabricación de termostatos. Dejo un vídeo sobre la dilatación térmica del papel de aluminio.
Este é un efecto moi curioso que os alumnos xa o teñen experimentado pero sen saber o por que. Cando nos días de verán fai moito calor as portas metálicas que están ao sol dilatan e pechan mal (se o que as fixo non tivo en conta este efecto, normalmente non o teñen en conta). O único inconveniente deste experimento é ter que usar un chisqueiro, que pode ser perigoso para que os alumnos o fagan eles mesmos.
Retomando o exemplo anterior, poderíaselle pedir aos alumnos unha actividade na que se deseñase unha porta tendo en conta este efecto no metal usado e que tanto no inverno como no verán pechen ben, cada grupo, ou alumno tería que deseñala cun metal distinto.
O exemplo clásico da dilatación é o que acontece nas vías do tren. Antigamente solucionábase este problema coas xuntas de dilatación, que conferían o característico traqueteo dos convois. Porén, actualmente este problema solucionouse co desenvolvemento en 1992 da soldadura aluminotérmica, que confire á zona de unión entre diferentes tramos da vía unha dureza semellante á do resto do raíl. Velaquí unha explicación máis pormenorizada do asunto.
Otro experimento para comprobar la dilatación de los metales, se puede realizar con algo tan sencillo como el papel de aluminio, empleado en la cocina, ya que aunque no se note, cuando se pone el trozo sin recubrir de papel aluminio sobre la llama, éste se dilata. El problema es que los cambios son tan pequeños que se tornan imperceptibles.
El aluminio se dilata más que el papel común, es por eso que se curva hacia arriba, tal y como se observa en este vídeo. Este principio de la dilatación diferencial es muy utilizado para la fabricación de contactos eléctricos bimetálicos (compuestos por dos metales en vez de metal y papel como es este caso). Por ejemplo, dentro de la plancha que se usa para sacar las arrugas de la ropa, hay un dispositivo similar al que se explica en este experimento de física. Cuando llega a determinada temperatura, dicho bimetálico se dobla lo suficiente como para abrir un contacto eléctrico, el cual abre el circuito y la plancha deja de calentar. Cuando se enfría, vuelve a su forma habitual, el contacto se cierra y permite nuevamente el paso de la corriente eléctrica que comienza otra vez a calentar. Otra experiencia muy simple para comprobar cómo se dilatan los metales en clase, es la que se ilustra en el siguiente vídeo.
Una aplicación muy interesante y peculiar sobre la dilatación metálica, son las láminas bimetálicas. Son aquellas láminas compuestas por 2 metales distintos soldados entre si. Como estos metales tienen diferentes coeficientes de dilatación, al calentarse estando unidos, el metal que más se deforma con la temperatura arrastra al otro provocando una deformación conjunta. A temperatura ambiente, estas láminas mantienen una forma rectilínea, pero cuando se calientan, pasan a tener una forma curva. Sus aplicaciones son múltiples y variadas: termostatos, termómetros analógicos, circuitos de protección térmica, destelladores, reguladores de voltaje, temporizadores, fusibles automáticos (magneto-térmicos), planchas, tostadoras, etc.
En este vídeo muy simple, práctico y sencillo se comprueba que la dilatación de los metales se puede aplicar en la fabricación de termostatos físicos muy simples y muy útiles.
Casi todos los sólidos se dilatan cuando se calientan y se encogen al enfriarse. Esta dilatación o contracción es pequeña, pero sus consecuencias son importantes. Por ejemplo, un puente de metal de 50 m de largo que pase de 0° a 50°C podrá aumentar unos 12 cm de longitud; si sus extremos son fijos se engendrarán tensiones sumamente peligrosas por eso se suelen montarlos sobre rodillos, como puede verse en el siguiente enlace. 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. En el siguiente vídeo se puede ver cómo cuantificar cuánto se dilata un metal al someterlo a calor. Otros ejemplos de dilatación térmica son los termómetros de mercurio, el mercurio es un metal que al ser calentado, se dilata y asciende por el tubo capilar. En las carreteras de hormigón, a intervalos regulares se coloca material asfáltico para absorber las dilataciones producidas por el calor sino la construcción saltaría en pedazos en los días de mucho sol, al igual que en los puentes. Esto mismo sucede en los suelos con baldosas, si se ponen demasiado juntas, se resquebrajan. El vidrio común es un mal conductor del calor y se dilata, si se echa agua hirviendo en un vaso grueso, la parte interior se calienta y expande mientras que la parte exterior queda fría y encogida, por lo que el recipiente acaba rompiéndose. Esto se evitaría si se colocase una cuchara, que al ser capaz de absorber calor, se neutralizaría en parte el brusco cambio de temperatura y seguramente no se rompería el vaso. Si se hiciera lo mismo con un vidrio pyrex, no habría temor a la rotura del recipiente porque su coeficiente de dilatación es muy bajo.
El concepto de la dilatación de los cuerpos sólidos lo situamos en el curso de Física y Química de 2ºESO en el B5.8 Efectos de la energía Térmica. El proceso de dilatación de los cuerpos sólidos lo encontramos en nuestra vida cotidiana en la dilatación de los neumáticos de caucho de los coches,en los sistemas de tuberías, los cables del tendido eléctrico…este proceso también ocurre con los líquidos y los gases como la expansión de las burbujas cuando se abre una botella o el mercurio en los termómetros. A continuación adjunto el siguiente enlace donde deja claro este proceso.
A través de esta experiencia manipulativa se pueden explicar fenómenos de expansión térmica comunes en la vida cotidiana, por ejemplo, en verano cuando hace calor los portales metálicos de no cierran bien y esto se debe a la dilatación térmica o el caso de las juntas de dilatación en las vías de los trenes o las ventanas enmarcadas en metal que necesitan espaciadores de goma, etc… Estos ejemplos son causa de la expansión térmica que es el aumento del volumen de un material a mediad que se aumenta su temperatura.
La mayoría de los materiales sufren procesos de dilatación térmica al aumentar la temperatura. Esto afecta a todos los estados de agregación de la materia. Esta dilatación se debe a que cuando un cuerpo aumenta su temperatura, las partículas se mueven más deprisa, por lo que necesitan más espacio para desplazarse y en consecuencia el cuerpo aumentará su volumen. En este vídeo explica claramente que sucede.
Con esta actividad se muestra fácilmente la dilatación de un sólido. Esto es muy interesante, ya que debido a que los sólidos tienen fuerzas de cohesión más fuertes, su dilatación es generalmente más difícil, y esta experiencia puede ayudar a entender el proceso.
Además, el proceso de dilatación térmica es muy importante a la hora de construir estructuras como vías de tren, carreteras, las calles, donde se utilizan juntas de dilatación para evitar que produzcan daños en los materiales cuando sufren estos procesos de dilatación y concentración térmica.
Relacionado con el concepto de dilatación hay experimentos muy originales. El balancín Lichtwippe es un curioso ejemplo de este fenómeno. Se trata de un balancín que tiene un contrapeso sujeto con ayuda de un muelle. Cuando el muelle se calienta el metal se dilata y el contrapeso se mueve, a continuación el muelle se enfría, el metal se contrae y el contrapeso vuelve a su situación inicial, de forma que el balancín se mantiene en movimiento hasta que la fuente de calor se apague.
Leyendo los comentarios de esta publicación, veo que muchos coinciden en que no todos los materiales se dilatan al calentarlos y un ejemplo de ello son las gomas elásticas. Las gomas elásticas están formadas por polímeros que son largas cadenas de unidades simples (monómeros) unidas mediante enlaces covalentes. Efectivamente, al calentar el material se produce un mayor movimiento de las moléculas del material lo que origina que esos polímeros se enreden haciendo que la longitud de estos sea aparentemente menor. Al enfriar, las moléculas en reposo no se produce ese enmarañamiento de la cadena originando un polímero cuyos monómeros están colocados ordenadamente. En este enlace se ve tanto cómo se produce la contracción y la dilatación del material como la explicación de una forma visual.
Experimento para explicar de un modo sencillo los fenómenos que ocurren entre las partículas de la materia, la agitación térmica al aumentar la temperatura lo que conlleva al aumento del tamaño del sólido (dilatación). Un modo alternativo para la realización de un experimento similar sería emplear una arandela metálica pequeña, un frasco de cristal con tapa metálica, un vaso con agua, fuego y una pinza de ropa de madera como se ve en el siguiente vídeo.
Los cuerpos aumentan su tamaño por un aumento de la temperatura debido a procesos de dilatación térmica. Todos conocemos los típicos ejemplos de las vías del tren, las grietas del pavimento, el mercurio de los termómetros y los balones con poco aire que se hinchan cuando se dejan al sol. En todos estos casos, el aumento de temperatura hace que las partículas de los cuerpos aumenten su velocidad y requieran más espacio para moverse y por eso el cuerpo necesita aumentar su volumen. Esta dilatación afecta a todos los estados de agregación de la materia (sólido, líquido y gas) pudiendo ser lineal, superficial o volumétrica en el caso de los sólidos. Cada material presenta un coeficiente de dilatación que mide el cambio relativo de longitud, superficie o volumen de un cuerpo dentro de un recipiente debido a un cambio de temperatura.
Me parece muy útil esta web como apoyo a determinadas explicaciones de física porque tiene contenidos de diferentes niveles y con ejemplos de ejercicios relacionados. Otros ejemplos de experimentos sencillos para visualizar la dilatación térmica se pueden ver aquí.
En este experimento sencillo podemos analizar el efecto de la dilatación en un cuerpo metálico, y además nos permite medir el alcance de este efecto. Con él podemos medir los grados que desplaza el alambre que previamente hemos colocado verticalmente y de esta forma ir observando como este efecto se produce de manera gradual, cuanto más calentamos el tubo, más se desplaza el alambre. Además podremos también observar el efecto contrario, ya que al apagar las velas, el tubo se irá enfriando y volverá paulatinamente a su estado original. Podríamos también colocarle un cuerpo puntiagudo en el extremo para que rompiese una hoja de papel que colocaríamos el vertical.
Este fenómeno é moi importante na construción como xa moitos salientaron nos comentarios anteriores. Un elemento cotiá no que nos podemos enfocar é o asfalto, Galicia ten ó redor da metade dos núcleos de poboación de España (segundo como os definan) e isto tradúcese en moitas careteras cun mantemento deficiente. Mediante a observación das crebaduras nas pistas de monte (que soportan menos tráfico e menos pesado pero maior inclemenza do clima) podemos tamén observar un modelo de meteorización mecánica.
La dilatación….un fenómeno que es identifican fácilmente en ciertos materiales, sin embargo, por experiencia, a los alumnos les cuesta «ver» que esto ocurre en los metales. Con esta actividad es una forma sencilla de que puedan comprobar que en los metales también existe dilatación.
Interesante e doada experiencia que nos permitirá explicar o concepto de dilatación de materiais ó alumnado de secundaria.
Os alumnos seguramente terán en mente algunha porta de madeira que co tempo húmido se dilata xa que se enche de humidade e co tempo seco e con calor se contrae xa que está máis seca. Este feito tamén pode axudar a comprender o concepto da dilatación.
La dilatación térmica que podemos ver representada en el vídeo es la tendencia de la materia a cambiar su forma, su área y su volumen cuando es sometida a un cambio de temperatura. Un aumento de la temperatura hace que la energía cinética de las moléculas aumente, haciendo que vibren o se muevan más, ocupando más espacio, algo que se manifiesta a nivel global provocando la dilatación del material. Además, como se puede ver en el siguiente vídeo, la capacidad de dilatación varía de un metal a otro.
Estos cambios en el volumen debido a un incremento o descenso de la temperatura, y las diferencias entre los distintos materiales son muy importantes en construcción. Para controlar los movimientos producidos por estos cambios, se suelen usar juntas de dilatación. Cuando estas juntas fallan, y las tensiones producidas en el interior del material son superiores a la resistencia interna del mismo, se pueden provocar accidentes como los ocurridos en la autopista A-6 como pone en esta noticia de La Voz de Galicia, en donde el mal estado de las juntas de dilatación genera baches en el asfalto y pone en peligro la seguridad vial.
La dilatación térmica es un concepto que se imparte en diferentes cursos de física y química y que puede entenderse más fácilmente con los experimentos que se presentan en este proyecto. En la siguiente página web podemos encontrar ideas prácticas para realizar con el alumnado, entre ellas, un experimento de dilatación con una aguja de calcetar que permite observar la expansión del metal. También en el siguiente vídeo se observa la expansión del metal mediante un montaje sencillo y adaptable: se puede implicar al alumnado dando la posibilidad de emplear distintos materiales (en lugar de las zanahorias, por ejemplo) lo cual permite potenciar la creatividad del alumnado.