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 , normalmente sin incluir las transiciones de fase . [1]
La temperatura es una función monótona de la energía cinética molecular promedio de una sustancia. Cuando se calienta una sustancia, las moléculas comienzan a vibrar y moverse más, generalmente creando más distancia entre ellas. Las sustancias que se contraen con el aumento de la temperatura son inusuales y solo ocurren dentro de rangos de temperatura limitados (ver 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, lo que debilita las fuerzas intermoleculares entre ellas y, por lo tanto, expande la sustancia.
Si se dispone de una ecuación de estado , se puede usar 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; esto generalmente se denomina 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 de expansión térmica negativo para temperaturas entre 18 y 120 Kelvin . [2]
A diferencia de los gases o líquidos, los materiales sólidos tienden a mantener su forma cuando se expanden térmicamente.
La expansión térmica generalmente disminuye con el aumento de 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 dilatación 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 el calor específico. Estas discontinuidades permiten la detección de la temperatura de transición vítrea donde un líquido sobreenfriado se transforma en vidrio. [4]Un interesante efecto de "enfriamiento por calentamiento" ocurre cuando un líquido formador de vidrio se calienta desde el exterior, lo que resulta en una caída de temperatura en el interior del líquido. [5]
