Expansión térmica de sólidos y líquidos

Se sabe que bajo la influencia del calor, las partículas aceleran su movimiento caótico. Si calientan el gas, las moléculas que lo componen simplemente se separan. El líquido calentado primero aumentará en volumen y luego comenzará a evaporarse. ¿Y qué pasará con los cuerpos sólidos? No cada uno de ellos puede cambiar su estado agregado.

Expansión térmica: definición

La expansión térmica es el cambio en las dimensiones y la forma de los cuerpos cuando la temperatura cambia. Matemáticamente, es posible calcular el coeficiente de expansión volumétrica, que permite predecir el comportamiento de gases y líquidos en condiciones externas cambiantes. Para obtener los mismos resultados para los sólidos, es necesario tener en cuenta el coeficiente de expansión lineal. Los físicos han identificado una sección completa para este tipo de investigación y la denominaron dilatometría.

Ingenieros y arquitectos necesitan conocimientos sobre el comportamiento de diferentes materiales bajo la influencia de altas y bajas temperaturas para el diseño de edificios, carreteras y tuberías.

Expansión de gases

La expansión térmica de los gases se acompaña de una expansión de su volumen en el espacio. Los filósofos naturales notaron esto en la antigüedad, pero sólo los físicos modernos podían construir cálculos matemáticos.

En primer lugar, los científicos estaban interesados en la expansión del aire, ya que les parecía una tarea factible. Se involucraron tan celosamente en el caso de que obtuvieron resultados bastante contradictorios. Naturalmente, la comunidad científica no satisfizo tal resultado. La exactitud de la medición dependía del termómetro utilizado, de la presión y de muchas otras condiciones. Algunos físicos han llegado incluso a la conclusión de que la expansión de los gases no depende de los cambios de temperatura. O esta dependencia no es completa …

Las obras de Dalton y Gay-Lussac

Los físicos seguirían discutiendo hasta que estuvieran roncos, o dejarían de tomar medidas, a excepción de John Dalton. Él y otro físico, Gay-Lussac, al mismo tiempo, independientemente el uno del otro fueron capaces de obtener los mismos resultados de medición.

Lussac estaba tratando de encontrar la causa de tantos resultados diferentes y notó que en algunos dispositivos en el momento del experimento había agua. Naturalmente, durante el proceso de calentamiento, se convirtió en vapor y cambió la cantidad y composición de los gases que se están estudiando. Por lo tanto, lo primero que hizo el científico fue secar cuidadosamente todos los instrumentos que utilizó para llevar a cabo el experimento, e incluso excluyó el porcentaje mínimo de humedad del gas estudiado. Después de todas estas manipulaciones, los primeros experimentos resultaron ser más confiables.

Dalton abordó este tema más tiempo que su colega y publicó los resultados incluso a principios del siglo XIX. Secó el aire con vapores de ácido sulfúrico y luego lo calentó. Después de una serie de experimentos, John llegó a la conclusión de que todos los gases y vapores se expanden por un factor de 0,376. Lussac consiguió el número 0.375. Esto se convirtió en el resultado oficial del estudio.

Elasticidad del vapor de agua

La expansión térmica de los gases depende de su elasticidad, es decir, la capacidad de volver al volumen original. La primera pregunta comenzó a explorar a Ziegler a mediados del siglo XVIII. Pero los resultados de sus experimentos eran demasiado diferentes. James Watt, que utilizó una caldera para altas temperaturas, y un barómetro de bajas temperaturas, obtuvieron cifras más fiables.

A finales del siglo XVIII, el físico francés Prony intentó derivar una única fórmula que describiera la elasticidad de los gases, pero resultó ser demasiado engorroso y difícil de usar. Dalton decidió probar experimentalmente todos los cálculos usando un barómetro de sifón para esto. A pesar de que la temperatura no era la misma en todos los experimentos, los resultados fueron muy precisos. Por lo tanto, los publicó en forma de una tabla en su libro de texto sobre física.

Teoría de la evaporación

La expansión térmica de los gases (como una teoría física) ha sufrido varios cambios. Los científicos han tratado de llegar a la esencia de los procesos bajo los cuales se produce el vapor. Aquí otra vez distinguido ya conocido por nosotros físico Dalton. La hipótesis de que cualquier espacio está saturado de vapores de gas, independientemente de si cualquier otro gas o vapor está presente en este reservorio (habitación). En consecuencia, se puede concluir que el líquido no se evaporará, simplemente entrando en contacto con el aire atmosférico.

La presión de la columna de aire sobre la superficie del líquido aumenta el espacio entre los átomos, desgarrándolos y evaporándolos, es decir, contribuyendo a la formación de vapor. Pero la fuerza de la gravedad continúa actuando sobre las moléculas del vapor, por lo que los científicos consideraron que la presión atmosférica no afecta la evaporación de los líquidos.

Expansión de líquidos

La expansión térmica de los líquidos se investigó en paralelo con la expansión de los gases. La investigación científica fue llevada a cabo por los mismos científicos. Para ello, utilizaron termómetros, aerómetros, vasos comunicantes y otros instrumentos.

Todos los experimentos juntos y cada uno por separado refutó la teoría de Dalton de que los líquidos homogéneos se expanden en proporción al cuadrado de la temperatura a la que se calientan. Por supuesto, cuanto mayor es la temperatura, mayor es el volumen de líquido, pero no hay relación directa entre él. Y la tasa de expansión para todos los líquidos era diferente.

La expansión térmica del agua, por ejemplo, comienza a cero grados Celsius y continúa con una disminución de temperatura. Anteriormente, estos resultados de experimentos se atribuyeron al hecho de que no se expande el agua, pero la capacidad en la que se encuentra se estrecha. Pero algún tiempo después, el físico Delyuk llegó a la conclusión de que la causa debía buscarse en el líquido mismo. Decidió encontrar la temperatura de su mayor densidad. Sin embargo, esto fracasó debido a la negligencia de ciertos detalles. Rumfort, quien estudió este fenómeno, encontró que la densidad máxima de agua se observa en el rango de 4 a 5 grados Celsius.

Expansión térmica de cuerpos

En los sólidos, el principal mecanismo de expansión es el cambio en la amplitud de las vibraciones de la red cristalina. Para decirlo en términos simples, los átomos que componen el material y rígidamente adheridos entre sí comienzan a "temblar".

La ley de expansión térmica de cuerpos se formula de la siguiente manera: cualquier cuerpo con una dimensión lineal L en el proceso de calentamiento por dT (delta T es la diferencia entre la temperatura inicial y la final) se expande por dL (delta L es la derivada del coeficiente de dilatación térmica lineal por la longitud del objeto y por la diferencia Temperatura). Esta es la versión más simple de esta ley, que por defecto toma en cuenta que el cuerpo se expande inmediatamente en todas las direcciones. Pero para el trabajo práctico, se utilizan cálculos mucho más engorrosos, ya que en realidad los materiales se comportan de manera diferente a la modelada por físicos y matemáticos.

Expansión térmica del carril

Para la colocación de la vía de ferrocarril, los físicos siempre son atraídos, ya que pueden calcular con precisión la distancia entre las juntas de los carriles de modo que cuando se calientan o se enfrían los caminos no se deforman.

Como ya se ha mencionado anteriormente, la expansión lineal térmica es aplicable a todos los sólidos. Y el ferrocarril no era una excepción. Pero hay un detalle. Un cambio lineal ocurre libremente si el cuerpo no es afectado por la fricción. Los raíles están rígidamente unidos a traviesas y soldados a raíles adyacentes, por lo que la ley que describe la variación de longitud toma en cuenta la superación de obstáculos en forma de resistencias de carrera y de tope.

Si el carril no puede cambiar su longitud, entonces con un cambio de temperatura, el estrés térmico en él crece, que puede estirar y comprimir. Este fenómeno es descrito por la ley de Hooke.