Actividad para Física-Química

Copie y pegue la siguiente información.  Lea detenidamente y resuelva los ejercicios. Presente al Lic. Heraldo Almendáriz (nota 4to. bloque)

Actividad previa

Porqué hacen "Tac Tac Toc Toc" los trenes?

Mientras vayas viajando en el ferrocarril presta atención al sonido que hacen las ruedas de Tren. Es el clásico "Tac Tac Toc Toc".  Te has puesto a pensar porque suenan así?  En la estación de Durán observa con atención la disposición de los rieles.  No estan totalmente juntos. Cada cierta distancia, tienen una pequeña separación. Para qué será?  Eso tiene que ver con lo que llama "Dilatación de los cuerpos sólidos".

Dilatación Térmica

La dilatación térmica tiene un fundamento físico diferente en líquidos, gases y sólidos. En los gases las moléculas están deslocalizadas, por lo que a lo largo del tiempo una molécula puede llegar a ocupar cualquier posición en el seno de la masa gaseosa, el calentamiento produce un aumento de la energía cinética de cada molécula lo cual aumenta la presión del mismo, que a su vez es el fundamento de la dilatación térmica. En los sólidos antes de la fusión o aparición de deformaciones por calor, cada molécula está constreñida a moverse alrededor de una pequeña región alrededor de la posición de equilibrio de la misma. Al aumentar la temperatura la molécula realiza oscilaciones alrededor de su posición de equilibrio lo cual tiene el efecto de expandir el sólido. En los líquidos el proceso es más complejo y presenta características intermedias entre gases y líquidos. También, puede ser referida a que cuando la temperatura del medio ambiente es mayor, has observado que por la calle que los cables de la electricidad que cuelgan de los postes parecen más largos pues tienen una curvatura mayor que en el invierno.

Coeficientes de dilatación

Se denomina coeficiente de dilatación al cociente que mide el cambio relativo de longitud, superficie o volumen que se produce cuando un cuerpo sólido o un fluido experimenta un cambio de temperatura.

Para sólidos el tipo de coeficiente de dilatación más comúnmente usado es el coeficiente de dilatación lineal α_L. Para una dimensión lineal cualquiera se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después de cierto cambio de temperatura como:

En gases y líquidos es más común usar el coeficiente de dilatación volumétrico α_V, que viene dado por la expresión:

Para sólidos también puede medirse la dilatación térmica, aunque resulta menos importante en la mayoría de aplicaciones técnicas.

Dilatación lineal

El cambio total de longitud de la dimensión lineal que se considere, expresarse como:

 

  

Donde:

α=coeficiente de dilatación lineal [1/C°]

L₀= Longitud inicial del cuerpo.

L_f= Longitud final del cuerpo.

T₀= Temperatura inicial del cuerpo.

T_f= Temperatura final del cuerpo.

Aplicaciones

El conocimiento del coeficiente de dilatación (lineal) adquiere una gran técnica importancia en muchas áreas del diseño industrial. Un buen ejemplo son los rieles del ferrocarril, estos van soldados unos con otros por lo que pueden llegar a tener una longitud de varios centenares de metros. Si la temperatura aumenta mucho la vía férrea se desplazaría por efecto de la dilatación, deformando completamente el trazado. Para evitar esto, se estira el carril artificialmente, tantos centímetros como si fuese una dilatación natural y se corta el sobrante, para volver a soldarlo. A este proceso se le conoce como neutralización de tensiones.

Para ellos cogeremos la temperatura media en la zona le restaremos la que tengamos en ese momento en el carril el resultado lo multiplicaremos por el coeficiente de dilatación del acero y por la longitud de la vía a neutralizar.

Valores del coeficiente de dilatación lineal

Algunos coeficientes de dilatación

Material α ( ° C-1 ) Hormigón ~ 1.0 x 10-5 Hierro, acero 1.2 x 10-5 Plata 2.0 x 10-5 Oro 1.5 x 10-5 Invar 0.04 x 10-5 Plomo 3.0 x 10-5 Zinc 2.6 x 10-5 Aluminio 2.4 x 10-5 Latón 1.8 x 10-5 Cobre 1.7 x 10-5 Vidrio ~ 0.7 x 10-5 Cuarzo 0.04 x 10-5 Hielo 5.1 x 10-5

Ejercicios:

1.     La línea del ferrocarril de Durán a Quito pasa por varias localidades que unen costa con sierra. Durante el trayecto a la estación de Urbina (cerca de Riobamba) la temperatura llega a ser de 0°C.  La vía de acero del ferrocarril tiene una longitud de 30 m cuando la temperatura es 0º C. Calcular la variación de su longitud en un día caluroso en la estación de Yaguachi (30°C.)

2.  En ciertos tramos de la "Ruta de Dulzura" los rieles del ferrocarril alcanzan una longitud de hasta 30mts. Esto principalmente en los alrededores del cantón Milagro, donde se produce caña de azúcar y la temperatura promedio es de 28°C.  Sin embargo, llegando a la estación de Bucay los mismos rieles de 30mts se reducen a 29,75mts. ¿Cuál será la temperatura en Bucay?