DILATACION DE LOS CUERPOS

DILATACION DE LOS CUERPOS

Este fenómeno se le conoce como dilatación, está estrechamente relacionado con la variación de la temperatura de los cuerpos. Las moléculas de un cuerpo se mantienen unidas mientras la energía que poseen no varié, si la temperatura aumenta, las moléculas se separan por una variación en la cantidad y amplitud de los choques entre ellas. Los sólidos sufren dilatación aumentando su longitud principalmente, otros aumenta en dos de sus dimensiones, y los líquidos y gases aumentan su volumen. Cuando la temperatura disminuye, el fenómeno es al contrario: se contraen debido a que las moléculas se acercan entre ellas por pérdida de energía cinética. Los gases se dilatan más que los líquidos y los líquidos se dilatan más que los sólidos.

DILATACION LINEAL

Los cuerpos solidos como alambres, varillas y barras de metal, cuando se utilizan para la construcción de puentes, estructuras de edificios y en las casas al aumentarles su temperatura sufren un aumento en su longitud, este fenómeno se le conoce como dilatación lineal.

Cuando a los sólidos, con una longitud inicial de un metro, se les aumenta 1 °C su temperatura, varían en su longitud de manera constante. A esta cantidad se le conoce como coeficiente de dilatación lineal es específico para cada sustancia y se representa con la letra griega α.

Para calcular la dilatación lineal de un cuerpo solido se utiliza la ecuación :

α= Lf- Li 

     Li(Tf-Ti)

α = Coeficiente de dilatación lineal ( 1 )

                                                          °C

L_f = longitud  final del cuerpo (m)

L_i = longitud inicial del cuerpo (m)

T_f = Temperatura final del cuerpo (°C)

T_i = Temperatura inicial del cuerpo (°C)

Como las cantidades del coeficiente de dilatación son constantes y se expresan en tablas, podemos despejar la ecuación para calcular la longitud final del cuerpo.

 

“Temperatura”

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de calor medible mediante un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido trasnacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura es mayor.

En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un gas ideal monoatómico se trata de los movimientos tras nacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta también).

El desarrollo de técnicas para la medición de la temperatura ha pasado por un largo proceso histórico, ya que es necesario darle un valor numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo caliente.

Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (sólido, líquido, gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad, la presión de vapor, su color o la conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.

La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K), y la escala correspondiente es laescala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor «cero kelvin» (0 K) al «cero absoluto», y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común. La escala más extendida es la escala Celsius, llamada «centígrada»; y, en mucha menor medida, y prácticamente solo en los Estados Unidos, la escala Fahrenheit. También se usa a veces la escala Rankine (°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamaño de grado igual al de la Fahrenheit, y es usada únicamente en Estados Unidos, y solo en algunos campos de la ingeniería. Sin embargo, debería utilizarse el Julio puesto que la temperatura no es más que una medida de la energía cinética media de un sistema, de esta manera podríamos prescindir de la constante de Boltzmann.

   "TIPOS DE TERMÓMETROS"

"Termómetro de gas"

El termómetro de gas mide la temperatura por la variación del volumen o la presión de un gas.

El termómetro de gas de volumen constante es muy preciso, y tiene un margen de aplicación extraordinario: desde -27 °C hasta 1477 °C. Pero es más complicado, por lo que se utiliza más bien como un instrumento normativo para la graduación de otros termómetros.

El termómetro de gas a volumen constante se compone de una ampolla con gas -helio, hidrógeno o nitrógeno, según la gama de temperaturas deseada- y un manómetro medidor de la presión. Se pone la ampolla del gas en el ambiente cuya temperatura hay que medir, y se ajusta entonces la columna de mercurio (manómetro) que está en conexión con la ampolla, para darle un volumen fijo al gas de la ampolla. La altura de la columna de mercurio indica la presión del gas. A partir de ella se puede calcular la temperatura.

“Termómetro óptico”

Dispositivo de medida de la temperatura en el que las propiedades de transmisión y reflexión de la luz visible dependen de la temperatura y cuya detección se puede relacionar con la temperatura tisular.

“Termómetro bimetálico”

Un termómetro de lámina bimetálica o termómetro bimetálico es un dispositivo para determinar la temperatura que aprovecha el desigual coeficiente de dilatación de dos láminas metálicas de diferentes metales unidas rígidamente (lámina bimetálica). Los cambios de temperatura producirán en las láminas diferentes expansiones y esto hará que el conjunto se doble en arco.

En la práctica, las dos láminas anteriormente mencionadas se suelen bobinar en espiral o en forma helicoidal, dejando un extremo libre al que se suelda un índice o es solidario con una aguja indicadora que muestra, realmente, la rotación angular de la misma sobre una escala graduada en grados centígrados o Fahrenheit. La ventaja de los termómetros bimetálicos sobre los líquidos es su mayor manejabilidad y su gran abanico de medidas. Son ampliamente utilizados en la industria textil y constituyen el fundamento del termógrafo, ampliamente utilizado en estaciones meteorológicas.

“Termómetro clínico”

 Un termómetro clínico, también llamado termómetro médico, es un instrumento de medición cuya función principal es medir la temperatura corporal y averiguar si el paciente tiene fiebre. Por lo general, los termómetros clínicos miden un rango de temperaturas comprendido entre 35 y 40°C, ya que temperatura humana normal está en el rango de 35 a 37°C, existiendo fiebre a partir de 37,7°C en adultos o 38°C en lactantes.

“Termómetros de máximos y mínimos”

El termómetro de máximas y mínimas o termómetro de Six es un termómetro "meteorológico" usado en meteorología y horticultura para registrar las temperaturas más alta y más baja del día.

Es un termómetro de mercurio que tiene un estrechamiento del capilar cerca del bulbo o depósito. Cuando la temperatura sube, la dilatación de todo el mercurio del bulbo vence la resistencia opuesta por el estrechamiento, mientras que cuando la temperatura baja y la masa de mercurio se contrae, la columna se rompe por el estrechamiento y su extremo libre queda marcando la temperatura máxima.

“Termómetro de alcohol”

El termómetro de alcohol es un tubo capilar de vidrio de un diámetro interior muy pequeño (casi como el de un cabello), que cuenta con paredes gruesas; en uno de sus extremos se encuentra una dilatación, llamada bulbo, que está llena de alcohol.

El alcohol es una sustancia que se dilata o contrae y, por lo tanto, sube o baja dentro del tubo capilar con los cambios de temperatura. En el tubo capilar se establece una escala que marca exactamente la temperatura en ese momento.

El termómetro de alcohol fue el primero que se creó  y mide la temperatura de manera efectiva.

Los termómetros de alcohol sirven para tomar la temperatura del ambiente: se usa en todo tipo de ambiente, pero no en personas.

Escalas de diferencia

“Torricelli”

El teorema de Torricelli o principio de Torricelli es una aplicación del principio de Bernoulli y estudia el flujo de un líquido contenido en un recipiente, a través de un pequeño orificio, bajo la acción de la gravedad.

La velocidad de un líquido en una vasija abierta,
por un orificio, es la que tendría un cuerpo cualquiera,
cayendo libremente en el vacío desde el nivel
del líquido hasta el centro de gravedad del orificio.

 

¿Cómo se puede calcular la velocidad de un líquido cuando se abre la llave?

Para saber la velocidad del agua en una tubería empalmamos en ella un tubo en forma de T de menor sección, colocamos tubos manométricos A y B, medimos la diferencia de altura (5 cm) entre los niveles superiores del líquido en tales tubos.

- sabiendo que la sección del tubo estrecho es 10 veces menor que la tubería, calcular la velocidad del líquido en esta.

- calcúlese el gasto, si el área de la sección mayor es 40 cm²

El gasto en una tubería por la que circula agua es 208 1/S. En la tubería hay instalado un medidor de venturi con mercurio como liquido manométrico. Si las secciones de las tuberías son 800 y 400 cm²,  calcular el desnivel h que se produce en el mercurio. Dato: densidad del mercurio 13.6 gr/cm³.

Dos depósitos abiertos muy grandes A y F, contienen el mismo líquido. Un tubo horizontal BCD que tiene un estrechamiento en C, descarga agua del fondo del depósito A, y un tubo vertical E se abre en C en el estrechamiento y se introduce en el líquido del depósito F. si la sección transversal en C es la mitad que en D, y si D se encuentra a una distancia h₁ por debajo del nivel del líquido en

A.  ¿A qué altura h₂  alcanzara el líquido en el tubo E?. Expresar la respuesta en función de h_1.

    

“Bernoulli y venturi”

El teorema de Bernoulli es también conocido como el teorema de trabajo-energía en los fluidos. Bernoulli considera que en una tubería que posee una elevación, la presión es menor en la parte más alta.

Para determinar el teorema de Bernoulli se relaciona el principio de la conservación de la energía que involucra  energía cinética y la energía potencial.

El efecto Venturi consiste en que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su presión cuando aumenta la velocidad al pasar por una zona de sección menor. En ciertas condiciones, cuando el aumento de velocidad es muy grande, se llegan a producir presiones negativas y entonces, si en este punto del conducto se introduce el extremo de otro conducto, se produce una aspiración del fluido de este conducto, que se mezclará con el que circula por el primer conducto. Este efecto, demostrado en 1797, recibe su nombre del físico italiano Giovanni Battista Venturi (1746-1822).
 

FLUIDOS EN MOVIMIENTO

HIDRODINAMICA:

Es la parte de la hidráulica que estudia el comportamiento de los líquidos en movimiento. Para ello considera entre otras cosas la velocidad, la presión, el flujo y el gasto del líquido.

En el estudio de la hidrodinámica, el teorema de Bernoulli, que trata de la ley de la conservación de la energía, es de primordial importancia, pues señala que la suma de las energías cinética, potencial y de presión de un líquido en movimiento en un punto determinado es igual a la de otro punto cualquiera.

 

Un fluido también puede moverse o desplazarse, y la hidrodinámica nos ayuda a estudiar este fenómeno. Para facilitar la comprensión de estas características debemos tomar en cuenta las siguientes:

·         Los líquidos son incompresibles.

·         La viscosidad no afecta el movimiento del fluido, es decir la fricción ocasionada por el paso del líquido en las paredes de la tubería se considera despreciable.

·         El flujo del líquido a través de las tuberías es estable y estacionario, es decir, no hay turbulencias, si colocamos una partícula dentro del fluido, esta debe seguir la misma trayectoria y adquirir la misma velocidad del flujo.

RELACION DE ENTRADA Y SALIDA:

El gasto es la relación que existe entre la cantidad de volumen del fluido que pasa a través de una tubería en determinado tiempo.

G =

G= gasto ( /s)

V= volumen ( )

t= tiempo (s)

Además, el gasto puede calcularse como:

G= Av

Donde

A= área ( )

v= velocidad (m/s)

Esto se debe a que V= Ad, sustituyendo en G=

Y como v =  , entonces: G= Av

El flujo se define como la cantidad de masa de fluido que puede pasar a través de una tubería en determinado tiempo, y se describe como 

F= F= flujo (kg/s) m= masa (kg) t= tiempo (s)

 

 

 

 

También puede relacionarse la densidad para determinar el flujo, ya que  queda m=pV, sustituyendo en la fórmula de flujo: F=

Podemos realizar otra sustitución, ya que G=  queda: F= Pg

Considerando que el volumen de líquido que entra por la tubería es el mismo que el volumen que sale por ella, podemos obtener una relación denominada ecuación de continuidad.

Esta relación establece que la cantidad de líquido que pasa a través de una tubería angosta, lo hace a mayor velocidad que cuando pasa por una tubería más ancha.

Como el volumen es constante, el gasto también lo es, así que

 G1 = G2

Donde

G1= gasto en el punto 1

G2 = gasto en el punto 2

Por lo tanto,

A1v1 =A2 v2

Donde

A1 = área del punto1

v1 = velocidad en el punto 1

A2 = área del punto 2

v2= velocidad en el punto 2