Dilatación Térmica: Cómo Aflojar la tapa de un Frasco


Durante la dilatación térmica, cada dimensión lineal, aumenta en el mismo porcentaje con los aumento de temperatura, incluyendo los agujeros. Esto presupone que el material es uniforme. Aplicado a una tapa metálica de un frasco, implica que el diámetro interior de la tapa aumentará, tendiendo a aflojarse. Dirigiendo el chorro de agua caliente al centro de la tapa, calentará mas el metal que el vidrio, de modo que se consigue una mayor diferencia de dilatación entre la tapa y el frasco. La conductividad térmica de la tapa de metal es mucho mayor que la del vidrio, y su calor específico es relativamente bajo, de modo que la temperatura de la tapa completa de metal, se elevará rapidamente.

Incluso si se calentase igualmente la tapa de metal y el frasco de vidrio, se podría aflojar un poco la tapa, porque el coeficiente de dilatación térmica del metal es mas grande que el del vidrio.

Si se examina la tabla de coeficientes de dilatación térmica, se encuentra que la dilatación de una tapa de acero es sólo un 40% mayor que la del vidrio, por lo que resultaría útil si se pudiera calentar el metal más que el cristal. El hecho de que la conductividad térmica del acero es de más de 60 veces la del vidrio, ayuda a elevar más su temperatura que la del frasco.

!?Si la conductividad térmica del acero es 60 veces la del vidrio, ¿por qué no es el coeficiente de dilatación 60 veces más grande, en lugar de sólo 1,4 x la del vidrio?

La cantidad de dilatación real es muy pequeña porque los coeficientes de dilatación son muy pequeños. Si se calienta la tapa desde 20ºC a 60ºC, la cantidad de dilatación es solamente de

DL = (7 cm)(13 x 10-6)(40°C) = 0,0036 cm

Afortunadamente esta pequeña cantidad de dilatación es a veces suficiente para poder quitar una terca tapadera.

Tabla de coeficientes de Dilatación
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Dilatación Térmica vs Conductividad Térmica

¿Por qué se Comportan de Manera tan Diferente?


En el ejemplo de aflojar una tapa de frasco, el experimento demuestra que se puede aflojar una tapa de acero de un frasco de vidrio por calentamiento, debido a que el coeficiente de dilatación térmica del acero es mayor que la del vidrio. Pero esto es un poco complicado, porque la dilatación del acero es sólo 1,44 veces la del vidrio, y ambas dilataciones son bastante pequeñas. Al dirigir el chorro de agua caliente al centro de la tapa, se calienta más que el vidrio, por lo que se obtiene una mayor diferencia entre la dilatación de la tapa y el frasco. Esto se puede lograr porque la conductividad térmica de la tapa de acero es casi 63 veces la conductividad térmica del vidrio.

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Las sustancias sólidas se expanden con el aumento de temperatura, debido al ligero aumento de la distancia media entre los núcleos, como consecuencia de la mayor energía cinética de las moléculas -que vibran con mayor amplitud y en promedio se encuentran un poco más separadas-. Esta energía cinética implica a los átomos en su conjunto, y no hay una gran diferencia entre lo que sucede en el vidrio y el acero.

Sin embargo, en la conductividad térmica surge un nuevo mecanismo. En el metal hay electrones esencialmente libres que pueden moverse a través del acero. Si bien no tienen ningún papel en la determinación de la dilatación térmica, proporcionan un medio para la rápida transferencia de calor a través del material. El mismo tipo de argumento se aplica a la conductividad eléctrica de los materiales. El acero es un conductor eléctrico debido a la movilidad de los electrones a través del material. La conductividad eléctrica y térmica, de hecho, puede demostrarse que son proporcionales entre sí, lo que constituye el tema de la ley de Wiedemann-Franz.

Buen conductor térmico <--> Buen conductor eléctrico.
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