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El calor representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica. El carácter energético del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo mecánico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este tipo de conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible sea aprovechable en forma de trabajo útil.

Las ideas acerca de la naturaleza del calor han variado apreciablemente en los dos últimos siglos. La teoría del calórico o fluido tenue que situado en los poros o intersticios de la materia pasaba de los cuerpos calientes en los que supuestamente se hallaba en mayor cantidad a los cuerpos fríos, había ocupado un lugar destacado en la Física desde la época de los filósofos griegos. Sin embargo, y habiendo alcanzado a finales del siglo XVIII su pleno apogeo, fue perdiendo credibilidad al no poder explicar los resultados de los experimentos que científicos tales como Benjamín Thomson (17531814) o Humphrey Davy (1778-1829) realizaron.

Una vieja idea tímidamente aceptada por sabios del siglo XVII como Galileo Galilei o Robert Boyle resurgió de nuevo. El propio Thompson, según sus propias palabras, aceptó la vuelta a aquellas «viejas doctrinas que sostienen que el calor no es otra cosa que un movimiento vibratorio de las partículas del cuerpo».

Las experiencias de Joule (1818-1889) y Mayer (1814-1878) sobre la conservación de la energía, apuntaban hacia el calor como una forma más de energía. El calor no sólo era capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos, sino que además podía moverlos y realizar un trabajo.

Las máquinas de vapor que tan espectacular desarrollo tuvieron a finales del siglo XVIII y comienzos del XIX eran buenas muestras de ello. Desde entonces las nociones de calor y energía quedaron unidas y el progreso de la Física permitió, a mediados del siglo pasado, encontrar una explicación detallada para la naturaleza de esa nueva forma de energía, que se pone de manifiesto en los fenómenos caloríficos.

Una unidad muy empleada para medir esta energía (el calor) es la caloría: calor necesario para que 1 g. de agua aumente 1ºC su temperatura. No todos los cuerpos se calientan de la misma forma. El calor específico es la propiedad de los cuerpos que mide esa diferencia y se puede definir como el calor necesario para que la unidad de masa de un cuerpo aumente 1ºC su temperatura.

El calor cedido o absorbido por un cuerpo se puede medir por la expresión: Q = m·c· (Tf-To) donde m es la masa del cuerpo, c su calor específico, Tf su temperatura final y To su temperatura inicial.

Una caloría equivale a una transmisión de 4.18 J de energía , lo que nos permite escribir todas las expresiones anteriores en unidades del Sistema Internacional. Así, el calor específico del agua Ca = 1 cal/gºC = 4180 J/kgºC

Teoría calórica La teoría calórica fue un modelo con el cual se explicó, durante un tiempo bastante prolongado, las características y comportamientos físicos del calor. La teoría explica el calor como un fluido hipotético, el calórico, que impregnaría la materia y sería responsable de su calor.

Para Lavoisier, las moléculas de todos los cuerpos de la naturaleza están en un estado de equilibrio, entre la atracción que tiende a aproximarlas, y la acción del calórico, que tiende a separarlas. Según su mayor o menor cantidad de calórico, los cuerpos son gas, líquido o sólido.

El calórico se difunde entre los cuerpos, pasando de uno a otro por contacto, incluso entre los seres vivos. Las quemaduras producidas por congelación se explicaban porque el calórico causaría los mismos daños en la piel, tanto al entrar en el cuerpo como al salir.

El calórico se haría visible en las llamas, que estarían formadas en su mayor parte por dicho calórico desprendiéndose de los cuerpos. Las distintas sustancias presentarían distintas solubilidades para el calórico, lo que explicaría su distinto calor específico.

La teoría del calórico fue ampliamente aceptada, ya que incluso explicaba los experimentos de Joule sobre la equivalencia entre calor y trabajo, interpretando que al frotar un cuerpo, se romperían las vesículas microscópicas que contienen el calórico, liberando calor. Sin embargo, la teoría fue perdiendo adeptos, al no poder explicar diversos problemas, como la masa nula del calórico, por lo que fue abandonada a mediados del siglo XIX.

Dilatación Térmica La dilatación térmica es el proceso por el cual los cuerpos aumentan su volumen debido a su temperatura. Afecta a todos los estados de agregación de la materia. En este apartado veremos: 

El concepto de dilatación y contracción térmica



La dilatación en los sólidos



La dilatación en los líquidos



La dilatación en los gases

¿Por qué se dilatan los cuerpos? Cuando un cuerpo aumenta su temperatura, las partículas se mueven más deprisa, por lo que necesitan más espacio para desplazarse. Es por ello que el cuerpo necesita aumentar su volumen.

La dilatación térmica es el proceso por el cual los cuerpos aumentan su volumen cuando se aumenta su temperatura.

Cuando en lugar de aumentar, la temperatura disminuye, el volumen del cuerpo también lo hace, hablándose en estos casos decontracción térmica. Estos fenómenos son especialmente importantes a la hora de fabricar determinadas estructuras como por ejemplo las vías de tren. Las industrias que fabrican los rieles los entregan con una longitud de unos 12 m. Es necesario unirlos (generalmente abulonados) para formar las vías. Durante el día la temperatura ambiente que pueden llegar a soportar ronda entorno a los 40° e incluso el acero puede alcanzar una temperatura muy superior. Dicha temperatura provoca dilataciones en las vías favoreciendo que en las uniones se provoquen deformaciones. Por esta razón, justamente en dichas uniones se deja una separación de unos 5 mm denominado junta de dilatación.

El problema de esta separación es que es incompatible con el desplazamiento de los trenes de alta velocidad (250 km/h) ya que generan mucho ruido al circular el tren por ellas y las ruedas y rieles sufrirían roturas. La tecnología moderna ha logrado soldaduras especiales que absorben las dilataciones, por lo tanto hay tramos de muchos kilómetros (varias decenas) sin separaciones aunque en las cercanías de las estaciones de ferrocarril se siguen utilizando ya que por esas zonas los trenes deben disminuir mucho su velocidad.

Dilatación de sólidos De entre los estados de agregación de la materia estudiados, el estado sólido es el que tiene las fuerzas de cohesión más fuertes, por lo que resulta más dificil observar la dilatación que en líquidos y gases. En función del número de dimensiones que predominan en el cuerpo, podemos distinguir tres casos: 1. Dilatación lineal 2. Dilatación superficial 3. Dilatación volumétrica

Dilatación lineal Se produce cuando predomina una dimensión frente a las otras dos. Ejemplos de cuerpos que se dilatan linealmente son: varillas, alhambres, barras...

La dilatación lineal de un cuerpo viene dada por la expresión: Donde:



l, l0 : Longitud final e inicial respectivamente del cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro ( m )



λ: Coeficiente de dilatación lineal. Es específico de cada material y representa el alargamiento que experimenta la unidad de longitud de un sólido, cuando su temperatura se eleva 1 K. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el K-1, aunque también se usa el ºC-1



∆T: Incremento de temperaturaque experimenta el cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin ( K ), aunque también se usa el ºC

Observa que, aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin, por comodidad también se usa el ºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación lineal λ se expresa en ºC-1, aunque su valor es el mismo

Valores típicos del coeficiente de dilatación El coeficiente de dilatación en el caso de los líquidos suele mantenerse constante para cambios de temperatura ∆T menores de 100 grados. Algunos valores típicos para el coeficiente de dilatación lineal son:

MATERIAL

COEFICIENTE DILATACIÓN LINEAL Λ ( K -1 O ºC -1 )

Plata

3·10-5

Plomo

2.9·10-5

Zinc

2.6·10-5

Aluminio

2.4·10-5

Cobre

1.7·10-5

MATERIAL

COEFICIENTE DILATACIÓN LINEAL Λ ( K -1 O ºC -1 )

Oro

1.5·10-5

Vidrio

0.9·10-5

Diamante

0.12·10-5

Cuarzo

0.04·10-5

Dilatación superficial Se produce cuando predominan dos dimensiones (una superficie) frente a una tercera. Ejemplos de cuerpos que se dilatan superficialmente son: láminas, planchas...

La dilatación superficial de un cuerpo viene dada por la expresión:

Donde: 

S, S0 : Área final e inicial respectivamente del cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro al cuadrado ( m2 )



σ: Coeficiente de dilatación superficial. Es específico de cada material y representa el aumento de superficie de un sólido de área unidad, cuando su temperatura se eleva 1 K. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el K-1, aunque también se usa el ºC-1



∆T: Incremento de temperaturaque experimenta el cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin ( K ) , aunque también se usa el ºC

La relación entre el coeficiente de dilatación lineal λ y el coeficiente de dilatación superficial σ es .

Observa que, aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin, por comodidad también se usa el ºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación superficial σ se expresa en ºC-1, aunque su valor es el mismo.

Dilatación volumétrica o cúbica Se produce cuando las tres dimensiones del cuerpo son igualmente relevantes. Ejemplos de cuerpos que se dilatan de modo volumétrico son: los dados del parchís, o las estatuas de los jardines ...

La dilatación volumétrica de un cuerpo viene dada por la expresión:

Donde: 

V, V0 : Volumen final e inicial respectivamente del cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro al cubo ( m3 )



γ: Coeficiente de dilatación volumétrica o cúbica. Es específico de cada material y representa el aumento de volumen de un sólido de volumen unidad, cuando su temperatura se eleva 1 K. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el K-1, aunque también se usa el ºC-1



∆T: Incremento de temperaturaque experimenta el cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin ( K ), aunque también se usa el ºC

La relación entre el coeficiente de dilatanción lineal λ y el coeficiente de dilatación volumétrico γ es

Observa que, aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin, por comodidad también se usa el ºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación volumétrico γ se expresa en ºC-1, aunque su valor es el mismo.

Ejemplo Disponemos de un cubo de un material a 24 ºC que ocupa un volumen de 1 m3 . Cuando aumentamos la temperatura a 55 ºC, el volumen del cubo pasa a 1.002232 m3 . Responde a las siguientes preguntas: 

¿Cual es el coeficiente de dilatación cúbica del material?



Imagina que, a 24 ºC, cortas varias barras de 1 m de longitud (valor de la arista del cubo). ¿Qué longitud pasarían a tener cuando se eleva la temperatura a 55 ºC? Ver solución

Dilatación de líquidos El efecto de la dilatación en los líquidos es más evidente que en los sólidos: al encontrarse sus moléculas con más libertad para moverse, el volumen que ocupa cada una aumenta más facilmente con la temperatura, por lo que también lo hace el volumen del líquido en su conjunto. Su expresión es similar a la dilatación volumétrica de los sólidos.

La dilatación de los líquidos sigue la expresión: Donde: 

V, V0 : Volumen final e inicial respectivamente del líquido. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro al cubo ( m3 )



α: Coeficiente de dilatación del líquido. Es específico de cada líquido y representa el aumento de volumen de un líquido de volumen la unidad, cuando su temperatura se eleva 1 K. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el K-1, aunque también se usa el ºC-1



∆T: Incremento de temperaturaque experimenta el líquido. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin ( K ), aunque también se usa el ºC

Observa que, aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin K, por comodidad también se usa el grado centígrado ºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación del líquido α se expresa en ºC-1, aunque su valor es el mismo. Ten muy presente que cuando queremos medir la dilatación en un líquido, hemos de tener en cuenta que el recipiente sólido en el que lo colocamos también se dilata.

Valores típicos del coeficiente de dilatación El coeficiente de dilatación en el caso de los líquidos suele variar con la temperatura de forma más pronunciada a lo que ocurre en los sólidos. A continuación se recogen algunos valores típicos del

coeficiente de dilatación α para líquidos a una temperatura de 20 ºC. Observa que son sensiblemente superiores al caso de los sólidos. Esto implica que la dilatación en los líquidos es más evidente que en los sólidos para un mismo material y un mismo cambio de temperatura.

MATERIAL

COEFICIENTE DILATACIÓN Α ( K -1 O ºC -1 )

Mercurio

18.1·10-4

Alcohol

14·10-4

Benceno

11.7·10-4

Glicerina

5.2·10-4

Dilatación anómala del agua Algunos líquidos se comportan de manera anómala en ciertos intervalos de temperatura y presión, aumentando su volumen cuando disminuye su temperatura y viceversa. Es el caso del agua a

1 atm de presión y en el intervalo de 0 ºC a 4 ºC. Este comportamiento es muy importante para que pueda existir la vida.

Dilatación de gases El efecto de la dilatación en los gases es el más evidente de todos. Los gases varian de forma clara su volumen tanto con la temperatura como con la presión debido a que las fuerzas de cohesión entre las partículas son más debiles que en los casos anteriores. Su expresión es similar a la dilatación volumétrica de los sólidos.

La dilatación de los gases a presión constante sigue la expresión: Donde: 

V, V0 : Volumen final e inicial respectivamente del líquido. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro al cubo ( m3 )



αp: Coeficiente de dilatación a presión constante. Para una presión determinada existe un valor de αp , único igual para todos los gases. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el K-1, aunque también se usa el ºC-1



∆T: Incremento de temperaturaque experimenta el líquido. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin ( K ), aunque también se usa el ºC

Observa que, aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvín, por comodidad también se usa el ºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación del gas α se expresa en ºC1

, aunque su valor es el mismo.

Observa también que el coeficiente de dilatación αp es igual para todos los gases que se encuentran a una determinada presión. Por otro lado, el volumen V de un gas es 0 a una temperatura T de -273 ºC (0 K o cero absoluto). Este comportamiente permite dibujar las siguientes lineas que representan el volumen de cualquier gas a una determinada presión.

Finalmente, si conoces el volumen inicial del gas a 0 ºC, V0 , el coeficiente de dilatación de cualquier gas viene dado por: º

Comprobación La ecuación general de los gases establece que el producto de la presión P por el volumen V que ocupa el gas se relaciona con la temperatura T según:

Donde n es el número de moles del gas y R es una constante de valor 0.982 atm·L / K·mol. Si consideramos un gas a presión constante sometido a dos temperaturas T0 y T1distintas, ocupara dos volúmenes distintos, V0y V1. Dado que la presión es constante, P1 = P2 = P y podemos escribir:

Por tanto, la diferencia entre ambas expresiones nos permite llegar al resultado buscado:

Finalmente, identificando la expresión anterior con la que habíamos dado para la dilatación volumétrica de los gases, tenemos que αp = 1/T0 y, dado que habíamos dicho que T0 = 273.15 ºC, αp = 1/273.15 ºC-1.

Ejemplo El volumen de una determinada cantidad de nitrógeno a 0 ºC es de 10 L. Determina, si la presión no varía, cual será el volumen a -20 ºC. ¿Qué ocurriría si en lugar de N2 el gas fuese hidrógeno? Ver solución

Ficha de ejercicios resueltos Aquí puedes poner a prueba lo que has aprendido en este apartado.

Dilatación del plomo dificultad

Una barra de plomo mide 2 m a una temperatura de 30 ºC. Suponiendo el coeficiente de dilatación lineal constante en el rango de temperaturas considerada, determina 

A qué temperatura la barra medirá 1 mm más



A qué temperatura la barra medirá 1.99 m Dato: Coeficiente de dilatación linea del plomo en el rango de temperaturas considerado: λ = 3·105

K-1

Ver solución

Dilatación glicerina dificultad

Determina el volumen inicial que tenía una determinada cantidad de glicerina si, tras aumentar la temperatura 30 ºC, su volumen ha pasado a ser 2 m3. Dato: Coeficiente de dilatación de la glicerina en el rango de temperaturas considerado α = 5.2·104

ºC-1

Ver solución

Dilatación de un gas a presión constante dificultad

El volumen de una determinada cantidad de nitrógeno a 0 ºC es de 10 L. Determina, si la presión no varía, cual será el volumen a -20 ºC. ¿Qué ocurriría si en lugar de N2 el gas fuese hidrógeno? Ver solución

Coeficiente de dilatación y variación en volumen de material dificultad

Disponemos de un cubo de un material a 24 ºC que ocupa un volumen de 1 m3 . Cuando aumentamos la temperatura a 55 ºC, el volumen del cubo pasa a 1.002232 m3 . Responde a las siguientes preguntas: 

¿Cual es el coeficiente de dilatación cúbica del material?



Imagina que, a 24 ºC, cortas varias barras de 1 m de longitud (valor de la arista del cubo). ¿Qué longitud pasarían a tener cuando se eleva la temperatura a 55 ºC? Ver solución

Consulta otros ejercicios estrechamente relacionados en el tema TERMODINÁMICA .

Ficha de fórmulas Aquí tienes un completo formulario del apartado Dilatación Térmica. Entendiendo cada fórmula serás capaz de resolver cualquier problema que se te plantee en este nivel.

Dilatación lineal en sólidos Dilatación superficial en sólidos Dilatación volumétrica en sólidos Relación entre el coeficiente superficial y el lineal en un sólido Relación entre el coeficiente volumétrico y el lineal en un sólido Dilatación volumétrica en líquidos Dilatación volumétrica en gases Consulta otras fórmulas estrechamente relacionadas en el tema Termodinámica.

Ficha de apartados relacionados El apartado no se encuentra disponible en otros niveles educativos. Por otro lado, los contenidos de Dilatación Térmica se encuentran estrechamente relacionados con: TEMPERATURA CALOR

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