Se sabe que bajo la influencia del calor las partículas aceleran su movimiento caótico. Si calientas un gas, las moléculas que lo componen simplemente se dispersarán unas de otras. El líquido calentado primero aumentará de volumen y luego comenzará a evaporarse. ¿Qué pasará con los sólidos? No todos pueden cambiar su estado de agregación.
Definición de expansión térmica
La expansión térmica es un cambio en el tamaño y la forma de los cuerpos con un cambio de temperatura. Matemáticamente, es posible calcular el coeficiente de expansión volumétrica, lo que permite predecir el comportamiento de gases y líquidos en condiciones externas cambiantes. Para obtener los mismos resultados para los sólidos, se debe tener en cuenta el coeficiente de expansión lineal. Los físicos han seleccionado una sección completa para este tipo de investigación y la han llamado dilatometría.
Los ingenieros y arquitectos necesitan conocimientos sobre el comportamiento de diferentes materiales bajo la influencia de altas y bajas temperaturas para el diseño de edificios, tendido de carreteras y tuberías.
Expansión de gas
Térmicala expansión de los gases va acompañada de la expansión de su volumen en el espacio. Esto fue notado por los filósofos naturales en la antigüedad, pero solo los físicos modernos lograron construir cálculos matemáticos.
En primer lugar, los científicos se interesaron en la expansión del aire, ya que les parecía una tarea factible. Se pusieron manos a la obra con tanto celo que obtuvieron resultados bastante contradictorios. Naturalmente, la comunidad científica no quedó satisfecha con tal resultado. La precisión de la medición dependía del termómetro utilizado, la presión y una variedad de otras condiciones. Algunos físicos incluso han llegado a la conclusión de que la expansión de los gases no depende de los cambios de temperatura. ¿O esta adicción está incompleta…
Obras de D alton y Gay-Lussac
Los físicos continuarían discutiendo hasta quedarse roncos o habrían abandonado las mediciones si no fuera por John D alton. Él y otro físico, Gay-Lussac, pudieron obtener de forma independiente los mismos resultados de medición al mismo tiempo.
Lussac trató de encontrar la razón de tantos resultados diferentes y notó que algunos de los dispositivos en el momento del experimento tenían agua. Naturalmente, en el proceso de calentamiento, se convirtió en vapor y cambió la cantidad y composición de los gases estudiados. Por lo tanto, lo primero que hizo el científico fue secar completamente todos los instrumentos que utilizó para realizar el experimento y excluir hasta el mínimo porcentaje de humedad del gas en estudio. Después de todas estas manipulaciones, los primeros experimentos resultaron ser más confiables.
D alton lidió con este problema por más tiemposu colega y publicó los resultados a principios del siglo XIX. Secó el aire con vapor de ácido sulfúrico y luego lo calentó. Después de una serie de experimentos, John llegó a la conclusión de que todos los gases y el vapor se expanden por un factor de 0,376. Lussac obtuvo el número 0,375. Este se convirtió en el resultado oficial del estudio.
Elasticidad del vapor de agua
La dilatación térmica de los gases depende de su elasticidad, es decir, de la capacidad de volver a su volumen original. Ziegler fue el primero en investigar este tema a mediados del siglo XVIII. Pero los resultados de sus experimentos variaron demasiado. James Watt obtuvo cifras más fiables, utilizando un caldero para temperaturas altas y un barómetro para temperaturas bajas.
A fines del siglo XVIII, el físico francés Prony intentó derivar una fórmula única que describiera la elasticidad de los gases, pero resultó ser demasiado engorrosa y difícil de usar. D alton decidió probar todos los cálculos empíricamente, usando un barómetro de sifón para esto. A pesar de que la temperatura no fue la misma en todos los experimentos, los resultados fueron muy precisos. Así que los publicó como una tabla en su libro de texto de física.
Teoría de la evaporación
La expansión térmica de los gases (como teoría física) ha sufrido varios cambios. Los científicos trataron de llegar al fondo de los procesos mediante los cuales se produce el vapor. Aquí nuevamente, el conocido físico D alton se distinguió. Él planteó la hipótesis de que cualquier espacio está saturado con vapor de gas, independientemente de si está presente en este reservorio.(habitación) cualquier otro gas o vapor. Por lo tanto, se puede concluir que el líquido no se evaporará simplemente por entrar 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, contribuye a la formación de vapor. Pero la gravedad sigue actuando sobre las moléculas de vapor, por lo que los científicos calcularon que la presión atmosférica no tiene ningún efecto sobre la evaporación de los líquidos.
Expansión de fluidos
La expansión térmica de los líquidos se investigó en paralelo con la expansión de los gases. Los mismos científicos se dedicaban a la investigación científica. Para ello, utilizaron termómetros, aerómetros, vasos comunicantes y otros instrumentos.
Todos los experimentos juntos y cada uno por separado refutó la teoría de D alton de que los líquidos homogéneos se expanden en proporción al cuadrado de la temperatura a la que se calientan. Por supuesto, cuanto mayor sea la temperatura, mayor será el volumen del líquido, pero no hubo una relación directa entre ello. Sí, y la tasa de expansión de todos los líquidos fue diferente.
La expansión térmica del agua, por ejemplo, comienza a los cero grados centígrados y continúa a medida que desciende la temperatura. Anteriormente, tales resultados de experimentos se asociaron con el hecho de que no es el agua en sí misma la que se expande, sino que el recipiente en el que se encuentra se estrecha. Pero algún tiempo después, el físico Deluca, sin embargo, llegó a la conclusión de que la causa debía buscarse en el líquido mismo. Decidió encontrar la temperatura de su mayor densidad. Sin embargo, no tuvo éxito debido a la negligencia. Algunos detalles. Rumforth, quien estudió este fenómeno, encontró que la densidad máxima del agua se observa en el rango de 4 a 5 grados centígrados.
Expansión térmica de cuerpos
En los sólidos, el principal mecanismo de expansión es un cambio en la amplitud de las vibraciones de la red cristalina. En palabras sencillas, los átomos que componen el material y que están rígidamente unidos entre sí comienzan a “temblar”.
La ley de expansión térmica de los cuerpos se formula de la siguiente manera: cualquier cuerpo con un tamaño lineal L en el proceso de calentamiento por dT (delta T es la diferencia entre la temperatura inicial y la temperatura final), se expande por dL (delta L es la derivada del coeficiente de expansión térmica lineal por la longitud del objeto y la diferencia de temperatura). Esta es la versión más simple de esta ley, que por defecto tiene en cuenta que el cuerpo se expande en todas las direcciones a la vez. Pero para el trabajo práctico se utilizan cálculos mucho más engorrosos, ya que en realidad los materiales se comportan de manera diferente a los modelados por físicos y matemáticos.
Expansión térmica del carril
Los ingenieros físicos siempre participan en la colocación de las vías del tren, ya que pueden calcular con precisión la distancia que debe haber entre las juntas de los rieles para que las vías no se deformen cuando se calientan o se enfrían.
Como se mencionó anteriormente, la expansión lineal térmica es aplicable a todos los sólidos. Y el ferrocarril no es una excepción. Pero hay un detalle. cambio linealocurre libremente si el cuerpo no es afectado por la fuerza de fricción. Los rieles están unidos rígidamente a las traviesas y soldados a los rieles adyacentes, por lo que la ley que describe el cambio de longitud tiene en cuenta la superación de obstáculos en forma de resistencias lineales y a tope.
Si un riel no puede cambiar su longitud, entonces, con un cambio de temperatura, la tensión térmica aumenta, lo que puede estirarlo y comprimirlo. Este fenómeno está descrito por la Ley de Hooke.
