Expansión térmica
La expansión térmica es la tendencia de la materia a cambiar su forma , área , volumen y densidad en respuesta a un cambio de temperatura , por lo general sin incluir las transiciones de fase . [1]
La temperatura es una función monótona de la energía cinética molecular promedio de una sustancia. Cuando una sustancia se calienta, las moléculas comienzan a vibrar y moverse más, por lo general creando más distancia entre ellas. Las sustancias que se contraen con el aumento de temperatura son inusuales y solo ocurren dentro de rangos de temperatura limitados (vea los ejemplos a continuación). La expansión relativa (también llamada deformación ) dividida por el cambio de temperatura se denomina coeficiente de expansión térmica lineal del material y generalmente varía con la temperatura. A medida que aumenta la energía en las partículas, comienzan a moverse cada vez más rápido debilitando las fuerzas intermoleculares entre ellas, expandiendo así la sustancia.
Si se dispone de una ecuación de estado , se puede utilizar para predecir los valores de la expansión térmica a todas las temperaturas y presiones requeridas , junto con muchas otras funciones de estado .
Varios materiales se contraen al calentarse dentro de ciertos rangos de temperatura; a esto se le suele llamar expansión térmica negativa , en lugar de "contracción térmica". Por ejemplo, el coeficiente de expansión térmica del agua cae a cero cuando se enfría a 3.983 ° C y luego se vuelve negativo por debajo de esta temperatura; esto significa que el agua tiene una densidad máxima a esta temperatura, y esto lleva a que los cuerpos de agua mantengan esta temperatura en sus profundidades más bajas durante períodos prolongados de clima bajo cero. Además, el silicio bastante puro tiene un coeficiente negativo de expansión térmica para temperaturas entre aproximadamente 18 y 120 kelvin . [2]
A diferencia de los gases o líquidos, los materiales sólidos tienden a mantener su forma cuando experimentan expansión térmica.
La expansión térmica generalmente disminuye al aumentar la energía de enlace , lo que también tiene un efecto sobre el punto de fusión de los sólidos, por lo que es más probable que los materiales con un punto de fusión alto tengan una expansión térmica más baja. En general, los líquidos se expanden un poco más que los sólidos. La expansión térmica de los vidrios es ligeramente superior a la de los cristales. [3] A la temperatura de transición vítrea, los reordenamientos que ocurren en un material amorfo conducen a discontinuidades características del coeficiente de expansión térmica y calor específico. Estas discontinuidades permiten la detección de la temperatura de transición vítrea donde un líquido superenfriado se transforma en un vidrio. [4]Un interesante efecto de "enfriamiento por calentamiento" ocurre cuando un líquido que forma vidrio se calienta desde el exterior, lo que resulta en una caída de temperatura en el interior del líquido. [5]
