Dilatación térmica
Un día de verano, Camila no logra abrir un frasco de dulce de leche con tapa metálica. Su abuela lo pasa unos segundos bajo agua caliente y la tapa sale sin esfuerzo. ¿Qué le pasó a la tapa para que cambiara tanto con tan poco calor? Al final de la página vas a poder explicarlo.
Qué es la dilatación
Casi todos los materiales cambian de tamaño cuando cambia su temperatura. Si se calientan, aumentan de tamaño. Si se enfrían, disminuyen.
El cambio es muy pequeño en los sólidos: no se nota a simple vista. Por eso hace falta medir con cuidado. Mirá una varilla de metal que se calienta:
Fijate que la varilla se alarga, pero su forma y su material siguen siendo los mismos. Solo cambia el tamaño, y vuelve al tamaño original al volver a la temperatura inicial.
Definí qué es la dilatación térmica. Indicá qué le ocurre al tamaño de un objeto cuando aumenta su temperatura y qué ocurre cuando disminuye.
Definí qué es la dilatación térmica. Indicá qué le ocurre al tamaño de un objeto cuando aumenta su temperatura y qué ocurre cuando disminuye.
Por qué se dilatan: el modelo de partículas
Según el modelo discontinuo de la materia, todo está formado por partículas que vibran alrededor de sus posiciones. Cuando la temperatura sube, las partículas vibran con más energía, se mueven más y se «empujan» entre sí. El resultado es que, en promedio, quedan más separadas.
Las partículas no se hacen más grandes: lo que aumenta es la distancia entre ellas. Sumando todas esas pequeñas separaciones, el cuerpo entero se agranda. Al enfriar, la vibración disminuye y las partículas se acercan: el cuerpo se contrae.
Una varilla de metal de 100 cm a 20 °C se calienta a 100 °C y mide 100,2 cm. a) ¿Cuánto aumentó su longitud? b) Si se enfría de nuevo a 20 °C, ¿qué longitud esperás que…
Una varilla de metal de 100 cm a 20 °C se calienta a 100 °C y mide 100,2 cm.
- a) ¿Cuánto aumentó su longitud?
- b) Si se enfría de nuevo a 20 °C, ¿qué longitud esperás que tenga?
- c) Explicá por qué ocurre esto con el modelo de partículas.
Dilatación en sólidos, líquidos y gases
Todos los estados se dilatan, pero no por igual.
| Estado | Cuánto se dilata | Ejemplo |
|---|---|---|
| Sólido | Poco | Una vía de tren |
| Líquido | Más que los sólidos | El alcohol de un termómetro |
| Gas | Mucho más | El aire dentro de un globo |
En los gases las partículas están muy separadas y se mueven libres: al calentarse, chocan con más fuerza y ocupan mucho más espacio si el recipiente puede agrandarse.
Bruno infla un globo y lo deja en el auto al sol un día de verano en Punta del Este. Al volver, el globo está más grande aunque no entró aire. a) ¿Qué ocurrió con el…
Bruno infla un globo y lo deja en el auto al sol un día de verano en Punta del Este. Al volver, el globo está más grande aunque no entró aire.
- a) ¿Qué ocurrió con el volumen del gas?
- b) Explicá, con el modelo de partículas, qué ocurre con el movimiento de las moléculas y la separación entre ellas.
Aplicaciones: vías, puentes y termómetros
Juntas de dilatación. Las vías del tren (AFE) y los puentes se dilatan en verano y se contraen en invierno. Si las piezas estuvieran pegadas sin espacio, al calentarse se empujarían entre sí y se deformarían. Por eso se dejan pequeños espacios (juntas) que dan lugar a que el material se alargue.
Termómetro de líquido. Un termómetro tiene un depósito con alcohol coloreado (o mercurio) y un tubo muy fino. Al calentarse, el líquido se dilata y sube por el tubo. La altura alcanzada se compara con una escala y da la temperatura. Al enfriarse, se contrae y baja.
Tapa metálica de un frasco. El metal se dilata más que el vidrio. Al pasar el frasco bajo agua caliente, la tapa se agranda y queda floja. Así se responde el gancho del principio: la tapa de Camila se dilató y dejó de apretar.
Las vías del tren y los puentes se construyen dejando pequeños espacios entre sus partes. Explicá para qué sirven esos espacios.
Las vías del tren y los puentes se construyen dejando pequeños espacios entre sus partes. Explicá para qué sirven esos espacios.
Un termómetro de mercurio o de alcohol coloreado funciona gracias a la dilatación. Explicá qué le pasa al líquido del interior cuando el termómetro se calienta y cómo se…
Un termómetro de mercurio o de alcohol coloreado funciona gracias a la dilatación. Explicá qué le pasa al líquido del interior cuando el termómetro se calienta y cómo se relaciona eso con la lectura.
Camila no puede destapar un frasco de vidrio con tapa metálica. Su abuela lo pasa unos segundos bajo agua caliente y la tapa sale con facilidad. Explicá el fenómeno…
Camila no puede destapar un frasco de vidrio con tapa metálica. Su abuela lo pasa unos segundos bajo agua caliente y la tapa sale con facilidad. Explicá el fenómeno usando la dilatación del metal y del vidrio, y el modelo de partículas.
Láminas bimetálicas
No todos los materiales se dilatan igual. Si pegás dos metales distintos, A y B, y los calentás, uno se alarga más que el otro. Como están pegados, la lámina se curva, hacia el lado del metal que se dilata menos (el metal que se dilata más queda por fuera de la curva). Por eso, en la figura, B (abajo) se dilata más: queda por fuera y la lámina se curva hacia arriba, hacia A.
La razón: el metal que más se alarga queda en el lado exterior (el de la curva más grande), y el que menos se alarga queda en el lado interior, hacia el que se curva la lámina. En la figura, B (naranja, abajo) queda por fuera de la curva y se dilata más; A (azul, arriba) queda por dentro.
Termostato de plancha. La lámina forma parte del circuito. Cuando la plancha se calienta, la lámina se curva y se separa de un contacto: se abre el circuito, no pasa corriente y la plancha deja de calentar. Al enfriarse, la lámina vuelve a su forma recta, toca el contacto y la corriente pasa de nuevo.
Un termostato de plancha usa una lámina formada por dos metales pegados, A y B. Al calentarse, la lámina se curva hacia el lado del metal A. a) ¿Cuál de los dos metales…
Un termostato de plancha usa una lámina formada por dos metales pegados, A y B. Al calentarse, la lámina se curva hacia el lado del metal A.
- a) ¿Cuál de los dos metales se dilata más? Justificá.
- b) Explicá cómo podría aprovecharse esa curvatura para cortar el paso de la corriente eléctrica cuando la plancha llega a una cierta temperatura.
- c) ¿Qué ocurre cuando la lámina se enfría?
El agua, una excepción
Casi todos los líquidos se contraen al enfriarse hasta congelarse. El agua es distinta: entre 0 °C y 4 °C su volumen disminuye al calentarla. A 4 °C ocupa el menor volumen para su masa, así que ahí es más densa. Por debajo de 4 °C se expande otra vez, y el hielo (a 0 °C) ocupa más que el agua líquida y por eso flota.
En invierno el agua de la superficie se enfría y, al llegar a 4 °C, se hunde por ser más densa. Cuando se enfría más abajo de 4 °C, se vuelve menos densa y se queda arriba, hasta congelarse. La capa de hielo aísla al resto del agua. Abajo queda agua líquida a unos 4 °C y los peces sobreviven.
La causa es la forma en que se acomodan las moléculas del agua: cerca de 0 °C se ordenan dejando huecos, lo que hace al agua una excepción frente a la mayoría de los líquidos.
El agua tiene un comportamiento especial: entre 0 °C y 4 °C su volumen disminuye al calentarla. Martina observa que un lago se congela primero en la superficie y el agua…
El agua tiene un comportamiento especial: entre 0 °C y 4 °C su volumen disminuye al calentarla. Martina observa que un lago se congela primero en la superficie y el agua del fondo permanece líquida a unos 4 °C.
- a) ¿Qué ocurre con la densidad del agua entre 0 °C y 4 °C?
- b) Explicá cómo ese comportamiento permite que los peces sobrevivan en invierno.
- c) Compará este comportamiento con el de la mayoría de los líquidos y explicá por qué el agua es una excepción en ese rango.
Resumen
Volvé al principio: la tapa metálica de Camila se dilató con el agua caliente más que el vidrio, y por eso quedó floja.