4.4 APLICACIONES DE LA DILATACIÓN TÉRMICA EN LA VIDA COTIDIANA

Ahora que estamos empezando el estudio de la dilatación térmica, que se trata de las dimensiones de un cuerpo bajo variación de la temperatura. debes saber que mas allá de la construcción de termómetros, la dilatación térmica tiene un sin número de aplicaciones, entre esas podemos observar: las juntas de dilatación, las llantas de tu automóvil, vías férreas.

Juntas de dilatación en concreto.

Los materiales de construcción, por lo general, se ven sometidos a contracciones, expansiones debidos a variaciones de humedad y de la temperatura.

Estas expansiones y contracciones no deben ser superiores a la resistencia interna del material para no llegar a fisurarlo. Para controlar estos movimientos se recurre a las Juntas de Dilatación.

¿Que son las juntas de dilatación?

Se usan para controlar la dilatación y evitar que esta provoque daño en los

materiales. En el concreto de las calles se acostumbra colocarlas de tal manera que separan una losa

de otra, el borde de estas losas o cuadros suele llenarse con chapopote u otro material flexible o

amortiguador para que cuando ocurra la dilatación el concreto no reviente por la presión.

Si no hay juntas de dilatación, se corre el riesgo que las placas de concreto tengan cuarteaduras,  quiebres o fracturas. Las juntas se rellenan con un amortiguador, que evita la contaminación y es flexible al movimiento.

Juntas de dilatación de acero en vías férreas 

Las vías no son continuas, deben colocarse por tramos, si los rieles no tuvieran juntas de dilatación a pesar de estar fijos a cualquier dispositivo no tendría por donde expandirse y se levantaría o doblaría a los
costados buscando la dilatación del mismo.

Llantas de automóviles 

El aire contenido dentro de las ruedas de los autos, en verano al aumentar la temperatura se dilata aumentado su volumen, por lo que  las ruedas de los autos  quedan más infladas en  verano que en invierno.





Pelotas 

Cuando dejas tu balón de fútbol en el patio durante mucho tiempo y este recibe los rayos del sol, ¿Has observado lo que sucede?  Su volumen tiende aumentar, tanto que algunas veces termina reventándose. Esto es ocasionado por el fenómeno de la dilatación térmica. De igual forma que las ruedas de los autos, el aire esta dentro la pelota o balón aumenta su temperatura al estar en contacto con los rayos del sol y se expande presionando tanto las paredes del balón que termina reventándose.

Globos 

En los cumpleaños donde se estima la presencia de muchas personas, se inflan los globos  con menos aire de lo normal, ya que, al aumentar la temperatura del local, estos pueden explotar de forma más rápida que si tienen menos aire, debido a la dilatación térmica

4.3 DILATACIÓN VOLUMÉTRICA

Es el aumento de volumen de un cuerpo u objeto (Aumento en 3 dimensiones) cuando se presenta un incremento en su temperatura.

FORMULAS:

DV=  Vi g ( tf - ti )

DV= Vf-Vi

Vf=Vi [1+ g ( tf - ti ) ]

VARIABLES: 

DV= Incremento o variación del volúmen

Vf =Volúmen final  del cuerpo cm³, m³, L

Vi = Volúmen inicial del cuerpo cm³, m³, L

tf = Temperatura final en °C, °F.

ti=  Temperatura inicial en °C, °F.

g= Coeficiente de dilatación volumétrica

Para obtener el coeficiente de dilatación volumétrica  g de un material solido se utiliza la siguiente formula: 

g = 3 * α

g  = Obtén el valor de la tabla  1 de coeficientes lineales y multiplícalo por 3.  

Tabla 1. Coeficientes de dilatacion lineal 

Si el material es liquido utiliza los coeficientes de dilatación volúmetrica de la tabla 2. Se toma directamente el valor de la tabla 2,  no tienes que multiplicarlo por otro valor.

Tabla 2. Coeficiente de dilatación volumetrica.

FACTORES DE CONVERSIÓN

1 Litro= 1000 cm³

1cm³ =1 ml

1m³ = 1x10⁶   cm³

1 Litro= .001 m³

1cm³ = 1x10-⁶  m³

1m³ = 1000 Litros

ACTIVIDAD 6. REALIZA LOS SIGUIENTES PROBLEMAS

1. Si se calientan 4 Litros de glicerina de 20°C a 75°C 

a ¿Cual sera su volumen final?

b.¿Cuanto se incrementa su volumen?.

2.¿Cual debe de ser el incremento de la temperatura para que el volumen de un cuerpo se incremente de 3 m³ a 3.3 m³ si su coeficiente de dilatación volumetrica es de 13x10^-4/°C?

4.2 DILATACIÓN SUPERFICIAL O DE ÁREA

Es el aumento del área de un cuerpo (aumenta en dos dimensiones) a medida que se incrementa la temperatura.

El la imagen se observa una placa con Área inicial (Ai) a una temperatura inicial (ti) que al aumentar la temperatura (tf) aumenta sus dimensiones (Af).

FORMULAS:

DA= Aib (tf-ti)

Df=Ai [1+ b (tf-ti) ]

VARIABLES:

DA= Variación o incremento del  área en m² , ft² , cm^2.

Af =Área final  después del incremento de la temperatura m² , ft² , cm²

Ai= Área inicial del cuerpo m² , ft² , cm²,

b= Coeficiente de dilatación de área

Para obtener el coeficiente de dilatación de área utiliza la siguiente formula: 

b = 2 * α

α = Obtén el valor de la tabla 1 de coeficientes lineales y multiplícalo por 2.     

tf = Temperatura final en °C, °F.

ti=  Temperatura inicial en °C, °F.

TABLA1. COEFICIENTES DE DILATACION LINEAL 

Formulas para obtener el área, de acuerdo a la forma del material:

Circulo :         A= p x r²          A=  (p x D² )/4  

Cuadrado :    A= l x l

Rectángulo :  A= bxh

ACTIVIDAD 5. REALIZA LOS SIGUIENTES EJERCICIOS DE DILATACIÓN TÉRMICA.

1. Un disco de latón tiene un agujero de 80 mm de diámetro en su centro, el disco que tiene 23°C se coloca en agua hirviente a 100 °C durante algunos minutos ¿ Cual sera el incremento del área del agujero?

2. Una ventana de vidrio tiene una superficie de 1.4 m² cuando se encuentra a temperatura ambiente de 62.6 °F ¿Cual es el área final que logra aumentar la ventana cuando la temperatura se eleva a 46°C? 

3. Una placa cuadrada de cobre que mide 4 cm por lado a 20°C se calienta hasta 120°C ¿ Cual es el incremento del área de la placa de cobre? 

4. Cuando una lamina de plomo se calentó de 10°C a 90°C su área final (Af) alcanzo un valor de 18 m² . Calcula el área inicial (Ai) de la lamina.

5. Una placa de rectangular de zinc tiene 2 ft de longitud y 40 cm de ancho, cuando la temperatura es de 293.15°K, suponiendo que la placa es calentada hasta 248°F determina: ¿Cuales sera el área final de la placa en ft ?

4.1 DILATACIÓN LINEAL

Es el aumento de la longitud de un solido (Aumento en una sola dimensión) debido a un incremento de la temperatura.

Esta imagen simula un tubo metálico el cual esta a una temperatura ambiente o inicial (ti) el cual tiene una longitud inicial (li) pero al aumentar la temperatura (tf) el tubo incrementara su longitud (lf), dando como resultado un incremento en la longitud del tubo DL.

FORMULAS: 

DL= α liDT

 DL= lf - li                      

 DT=tf - ti

VARIABLES:

DL= Variación o incremento de la longitud en m, ft.

lf =    Longitud final en m, ft

li =    Longitud inicial en m, ft

DT= Variación o incremento de la temperatura en °C, °F.

tf =  Temperatura final en °C, °F.

ti =  Temperatura inicial en °C, °F.

α = Coeficiente de dilatación lineal (tabla 1.)

COEFICIENTES DE DILATACIÓN LINEAL 

TABLA 1. COEFICIENTES DE DILATACION LINEAL

ACTIVIDAD 4. REALIZA LOS SIGUIENTES EJERCICIOS DE DILATACIÓN TÉRMICA.

1. Una varilla de aluminio de 3 metros de longitud tiene una temperatura de 30°C.

a. ¿Cual sera su longitud final (lf) si se calienta a 85°C ?

b. ¿Cual sera el incremento de su longitud?

2. Una losa de concreto tiene 20 m de largo ¿ Cual sera el incremento en su longitud si la temperatura cambia de 12 a 30°C?  suponga que α=9x10 ^-5 /°C

3. Un tubo de cobre tiene 6 m de longitud a 20°C ¿ Que incremento de longitud tendrá cuando se caliente a 80°C? 

4. Una barra de plata tiene 1 ft de longitud a 70°F ¿ cuanto se incrementara su longitud cuando se introduzca agua hirviendo a 212°F?