Calor: transferencia y efectos Semana 9 Dilatación y cambios de estado

Semana 8

¡Empecemos! En semanas anteriores pudimos definir algunas diferencias entre calor y temperatura, así como conocer las formas en las que se puede transferir el calor, la forma de calcular el calor transferido y el equilibrio térmico al que llegan los cuerpos luego de permanecer en contacto teniendo inicialmente temperaturas diferentes. Sin embargo, existen algunos efectos del calor que, en lugar de implicar una interacción entre dos cuerpos o sustancias, pueden suceder considerando uno de ellos. Cuando aplicamos una determinada cantidad de calor sobre algún cuerpo o sustancia, podremos experimentar fenómenos físicos como la dilatación térmica o los cambios de estados de la materia; pero, ¿en qué consisten? Ésta semana lo abordaremos.

¿Qué sabes de...? En la línea Leningrado-Moscú y en muchos otros lugares donde las temperaturas son muy bajas, cada invierno desaparecen varios centenares de metros de alambre telefónico, sin que nadie se moleste en tomar medidas a pesar de que los culpables son bien conocidos. Hasta usted los conoce: son las heladas. Podemos afirmar, sin ninguna clase de objeciones, que la línea telefónica Leningrado-Moscú es 500 m más corta en invierno que en verano. Las heladas roban impunemente, en invierno, cerca de medio kilómetro de alambre, sin que esto perjudique en lo más mínimo el funcionamiento del teléfono. Pero también es verdad que, en cuanto llega el calor, devuelven puntualmente lo que se llevaron. Ahora, cuando esta contracción por el frío se produce, no en los alambres, sino en los puentes, las consecuencias suelen ser más sensibles. He aquí lo que comunicaban los periódicos en diciembre de 1927 sobre uno de estos casos: 189

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Las extraordinarias heladas que durante varios días se han dejado sentir en Francia, han causado serios desperfectos en uno de los puentes sobre el Sena, en el mismo centro de París. La armadura férrea del puente se contrajo por el frío, lo cual dio lugar a que los adoquines del pavimento se levantaran y diseminaran. El tránsito por el puente ha sido cerrado temporalmente. Lo mismo sucede en caso de dilatación de los materiales, lo cual es mucho más común en zonas cálidas; por ejemplo, seguramente has visto alguna vez una acera agrietada y levantada; esto sucede debido a que las altas temperaturas que alcanza el concreto ocasionan una expansión y, al no haber espacio suficiente para la dilatación, la única salida posible es el quebrantamiento de las aceras dejándolas inútiles para lo que fueron creadas inicialmente. ¿Habías escuchado antes sobre esto? ¿Por qué es importante dejar espacio suficiente entre dos paños de cemento consecutivos? ¿A qué se deben estas dilataciones o contracciones? ¿Depende del material del que estén hechas las construcciones y el cableado?

El reto es... Podrías determinar cuál es la diferencia entre las longitudes del puente General Rafael Urdaneta en el día y en las noches? a) Suponiendo que su longitud en el medio día (a 45 ºC) es de 8.678,90 m y que en las noches alcanza una temperatura de 25 ºC. b) ¿Qué pasaría si en algún momento alcanzara una temperatura de -6 ºC? (utiliza el coeficiente de dilatación lineal del concreto, α= 1.2 x 10-5 °C-1).

Vamos al grano Cuando aumenta la temperatura del sólido, se produce un incremento en la agitación de sus partículas, haciendo que al vibrar se alejen más de la posición de equilibrio. De esta forma, la fuerza que se manifiesta entre las partículas es tal que la distancia media entre ellas se vuelve mayor, ocasionando la dilatación del cuerpo o sustancia. A continuación, te mostremos las formas en que se puede presentar dicha dilatación.

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En la dilatación lineal predomina la variación en una dimensión de un cuerpo, es decir: el largo. Por ejemplo, en la dilatación de hilos o barras de cierta longitud inicial, Lo, se produce un incremento de longitud, ∆L, que es proporcional a la longitud inicial Lo y al incremento en la temperatura, ∆T. Esto se representa simbólicamente como: ∆L=α.Lo.∆T. La letra griega α (alfa)

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funciona en la expresión como un coeficiente de proporcionalidad y se denomina coeficiente de dilatación lineal.

Figura 7 En el estudio de la dilatación superficial, es decir, el aumento del área de un objeto producido por una variación de temperatura, se observan cambios que siguen un comportamiento muy similar a la dilatación lineal. Considera una placa de área inicial So al elevar su temperatura en ∆T, el área sufre una dilatación ∆S. La representación simbólica matemática del modelo que describe este comportamiento de la materia es: ∆S = β. So.∆T. El coeficiente β se denomina coeficiente de dilatación superficial y se considera β= 2α

Figura 8 De manera idéntica comprobamos que la dilatación volumétrica, es decir, la variación del volumen de un cuerpo con un aumento ∆T de la temperatura, sigue el mismo comportamiento que la lineal y la superficial. Por tanto, si un cuerpo de volumen inicial So tiene un aumento en la temperatura ∆T, su volumen se incrementa ∆S = Sf - So, siguiendo así el mismo modelo, el cual se expresa en su forma simbólica matemática como: ∆V = γ Vo.∆T. El coeficiente γ (gamma), se denomina coeficiente de dilatación volumétrica y para un material se puede demostrar que γ = 3α.

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Figura 9 Además de la dilatación térmica en los cuerpos o sustancias, también ocurren otras transformaciones cuando son expuestos a altas cantidades de calor, nos referimos a los cambios de estado o de fases. Cambios de estado o de fase: los cuerpos o sustancias se pueden encontrar en diferentes estados o fases. Dependiendo de la temperatura del ambiente, pueden estar en estado sólido, líquido o gaseoso; cuando se encuentran en una fuente de calor, pueden llegar a cambiar de fase a través de diferentes procesos. Cuando se cambia de líquido a gas o viceversa, se considera el calor latente de evaporación, que es la cantidad de energía necesaria para cambiar una unidad de masa de sustancia de líquido a gas (y viceversa) y se consideran tres procesos fundamentales: 1. Evaporación: cambio de fase de líquido a gas. 2. Condensación: cambio de fase de gas a líquido. 3. Ebullición: evaporación rápida dentro de un líquido y también en la superficie. Cuando una sustancia cambia su estado de sólido a líquido, se considera el calor latente de fusión, que es la cantidad de energía necesaria para cambiar una unidad de masa de sustancia de sólido a líquido (y viceversa). Y pueden identificarse tres procesos: 1. Fusión: cambio de fase de sólido a líquido. 2. Congelación: cambio de fase de líquido a sólido. 192

3. Regelamiento: proceso de fusión a presión y regreso subsiguiente a congelación cuando se quita la presión.

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Un ejemplo de regelamiento ocurre cuando el alambre pasa en forma gradual a través del hielo sin cortarlo a la mitad.

Adicionalmente existe un cambio de fase muy particular: es el proceso de sublimación, mediante el cual se explica el cambio de fase de sólido a gas, sin pasar por la fase líquida. Un ejemplo de una sustancia que sublima a temperatura ambiente y a presión atmosférica es el hielo seco (CO2 en estado sólido).

Para saber más… Experimenta con el simulador “Estados de la materia” (disponible en http://li.co.ve/van). Aumenta la temperatura de las diferentes sustancias y observa el movimiento en sus moléculas. 1. Observa la diferencia entre el movimiento de las moléculas en estado sólido, líquido y gaseoso. 2. Anota sus puntos de ebullición y de fusión y conviértelos a grados Celsius. ¿Podríamos tener oxígeno líquido en una nevera? Investiga sobre la dilatación térmica y observa los diferentes coeficientes de dilatación en el siguiente link: http://li.co.ve/vao

Aplica tus saberes La dilatación térmica depende del material. Existen algunos materiales que son muy sensibles a la temperatura y aumentan o disminuyen rápidamente su longitud con una pequeña variación de temperatura, tal es el caso del cobre y el mercurio. Otros no varían tanto, pero igual se debe considerar dicha dilatación en cualquier construcción. El puente sobre el lago de Maracaibo tiene algunas aberturas (llamadas juntas) que permiten la expansión y compresión de su longitud debido al cambio de temperaturas. Esas uniones metálicas se pueden ver cada cierta distancia (aproximadamente 200 m) en todo el puente. Sin embargo, dichas juntas tie-

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nen su expansión máxima, que puede ser de 10 a 20 cm aproximadamente; así, en caso de expansión del concreto, las juntas se cierran quedando lo más pegadas posibles, pero, en caso de compresión del concreto, las juntas se abren de manera que puedan compensar la parte del puente que se ha comprimido. Si esta compresión fuese extrema, llegaría al punto de colapsar el puente, debido a que las juntas no podrían compensar dicha compresión. Con los saberes adquiridos, ya estamos en capacidad de calcular la dilatación lineal del puente y de determinar lo que pasaría si la ciudad de Maracaibo llegara a unos sorprendentes -6 ºC.

Comprobemos y demostremos que… Discute y compara tus resultados y respuestas con el resto de los participantes. La comparación de los resultados les ayudará a determinar si los cálculos que realizaron son correctos y si han desarrollado las competencias necesarias en el aprendizaje de la termodinámica.

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