Los químicos y los físicos afirman que la materia está compuesta de pequeñas partículas (moléculas) que se encuentran a una cierta distancia unas de otras y que siempre están en movimiento, ya sea vibrando o desplazándose. Los espacios entre las moléculas dependen del estado de cohesión (fuerzas eléctricas), es decir, del estado en que se encuentre la materia. La distancia entre moléculas es mayor en el estado gaseoso que en el estado líquido, y es mayor en el estado líquido que en el estado sólido.

Dilatación

Puedes observar el aumento de la energía cinética de las moléculas en el aumento de volumen que sufren los cuerpos cuando reciben calor. A este fenómeno se le llama dilatación.

Los termómetros que conoces, ya sean de laboratorio o clínicos, están conformados por tubos capilares cerrados muy delgados con un vacío y un volumen pequeño de mercurio, de tal manera que cuando reciben calor la dilatación se observa con facilidad.

Tienen una escala que está definida a partir de dos puntos notables:

1. La temperatura de congelación del agua

2. La temperatura de ebullición del agua

Las elevaciones del mercurio se registran entre esos dos puntos y se divide el espacio en 100 partes pequeñas, lo que define los grados centígrados. Sin embargo, estarás de acuerdo en que el termómetro podría contener otro tipo de líquido (como alcohol o agua) en lugar de mercurio.

Para identificar las ventajas de un termómetro debes tomar en cuenta dos temperaturas de referencia de una sustancia. Se selecciona la temperatura de fusión o congelación y la temperatura de ebullición del agua debido a su abundancia en el planeta y a que éstas son fáciles de reproducir en cualquier parte a nivel del mar.

También debes tomar en cuenta la densidad del líquido para determinar el tamaño del termómetro. La fuerza de gravedad juega un papel importante para que un líquido se mantenga como tal dentro de un recipiente; ésta equivale a lo que comúnmente conoces como el peso de un cuerpo. El peso ayuda a que las fuerzas de cohesión dominen otro tipo de fuerzas, como las de adherencia o de repulsión.

Si observas el mercurio en un tubo delgado verás su superficie abombada en la parte central. En cambio, si observas la superficie del agua en el mismo tubo verás que está curvada hacia abajo, los extremos de la superficie están hacia arriba adheridos a la pared del tubo, en este caso dominan las fuerzas de adherencia sobre las de cohesión.

Las fuerzas de cohesión se dan entre moléculas de la misma sustancia, mientras que las fuerzas de adherencia se dan entre moléculas de diferentes sustancias.

Un líquido pesado como el mercurio requiere más energía calorífica para vencer las fuerzas de cohesión que un líquido menos pesado como el agua, cuyas fuerzas de cohesión son más débiles. Se puede afirmar que el agua es más sensible al calor que el mercurio. Recuerda que es el único metal líquido a temperatura ambiente, los demás son sólidos (el oro, la plata, el cobre).

Si sustituyeras el mercurio por agua en un termómetro, sabiendo que la densidad del mercurio es aproximadamente 13 veces mayor que la del agua, requerirías un tubo de vidrio 13 veces más grande.

Tabla de coeficientes de dilatación térmica

Todos los cuerpos pueden dilatarse, sólo que lo hacen en menor o mayor grado. Esto depende de sus características físicas.

Dilatación lineal

Es el tipo de dilatación que se observa en los sólidos. Por ejemplo, en una barra de metal que tiene longitud inicial es $L_0$ y con una temperatura inicial $t_0$. Cuando la barra es sometida a un aumento de temperatura, T, presenta un cambio en su longitud L y la expresión que lo representa es la siguiente:

ΔL = α $L_0 ΔT$

Veamos un ejemplo.

Una varilla de aluminio mide 13 cm a 20$^0$C, ¿cuál será su longitud si se calienta hasta alcanzar 80$^0$C?

Datos:

α = 2.4 × 10$^–$$^5$$^0$C$^–$$^1$ (dato extraído de la tabla de coeficientes de dilatación térmica)

Ti = 20 $^0$C

$L_0$ = 0.13 m

Tf = 80 $^0C

L = ?

L = $L_0$ (1 + αΔT)

Operaciones y resultado:

L = 0.1301 m

ΔL = 0.00018 m