Expansión térmica Flashcards
Expansión térmica
La expansión térmica es un proceso en el que los átomos ganan energía térmica y empiezan a vibrar, por lo que se comportan como si tuviera un radio atómico más grande, esto causa que se aumente la distancia promedio entre átomos y por lo tanto se incrementan las dimensiones del material, en otras palabras la expansión térmica es el proceso en el que un material crece su tamaño debido a un aumento de temperatura, un ejemplo de esto son los termómetros de mercurio, que obviamente el vidrio y el mercurio en su interior se expanden, solo que el mercurio lo hace a menor temperatura, lo que provoca que al usarlo en la boca, la temperatura del termómetro aumente y provoca que el mercurio tenga una expansión térmica que nos indica si tenemos temperatura alta o no. Los materiales a temperatura alta se expanden y a temperatura baja se contraen.
Coeficiente lineal de expansión térmica
El coeficiente lineal de expansión térmica es la relación que hay entre la longitud inicial del material y la final con la temperatura inicial y final, y esta dado por la siguiente ecuación, donde alfa es el coeficiente lineal de expansión térmica l0 es la longitud original/inicial, lf es la longitud final y t0 es la temperatura original/inicial, tf es la temperatura final, en la siguiente tabla se encuentra el coeficiente lineal de expansión térmica de algunos materiales, como el aluminio, plomo níquel, hierro, entre otros. El coeficiente de expansión térmica tiende a ser inversamente proporcional a la profundidad de pozo potencial, lo que quiere decir que los materiales con temperaturas altas de fusión tienen un coeficiente de expansión térmica bajo. Por ejemplo, la mayor parte de los materiales cerámicos tienen bajos coeficientes, en comparación con los metales. Otro ejemplo sería el plomo que tiene un coeficiente mayor a los metales con alto punto de fusión como el tungsteno. También se puede definir el coeficiente volumétrico de expansión térmica, si el material es isótropo, el coeficiente volumétrico de expansión térmica es 3 veces el coeficiente lineal de expansión térmica.
Expansión térmica de los materiales
En la expansión térmica de materiales, se puede adaptar si se utilizan diferentes fases, al calentarse, una fase puede mostrar expansión térmica, mientras que otra fase puede mostrar contracción térmica, de esta manera se obtiene un coeficiente de expansión térmica igual a cero o negativo. El zerodor, es un material vidrio-cerámico que se puede controlar para obtener un coeficiente igual a cero o negativo. El zerodor fue usado en el telescopio Hubble y el telescopio de rayos x Chandra. Su uso en el telescopio fue fundamental para apreciar galaxias muy lejanas, porque se tenía que usar un material donde su coeficiente fuera cero, debido a que cualquier cambio en la temperatura del espacio haría difícil enfocar el telescopio de forma apropiada.
Esfuerzos térmicos
Los esfuerzos térmicos ocurren, cuando un material isotrópico se calienta de manera lenta y uniforme, lo usual sería que no se crearan esfuerzos, sin embargo, si el material está siendo obstruido, no se hacen los cambios bidimensionales y en cambio se forman esfuerzos térmicos, estos esfuerzos están dados por la siguiente ecuación, donde alfa es el coeficiente de expansión térmica, E es el modulo de elasticidad y deltaT es el cambio de temperatura. Los esfuerzos pueden ocurrir debido a muchas causas, un ejemplo de esto son los puentes, algunos puentes se diseñan con placas de acero entre secciones de modo que las secciones se mueven con respecto a otra, durante los cambios de temperatura estacionales. Otro ejemplo pueden ser las fibras frágiles que tienen un menor coeficiente que la matriz, puede estirarse hasta el punto de ruptura cuando aumenta la temperatura del compuesto.
