Densidad, dilatación y volumen

Densidad

Para otros usos de este término, véase Densidad (desambiguación).

En física y química, la densidad (símbolo ρ) es una magnitud vectorial referida a la cantidad de masa en un determinado volumen de una sustancia. La densidad media es la razón entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.

Si un cuerpo no tiene una distribución uniforme de la masa en todos sus puntos la densidad alrededor de un punto puede diferir de la densidad media. Si se considera una sucesión pequeños volúmenes decrecientes(convergiendo hacia un volumen muy pequeño) y estén centrados alrededor de un punto, siendola masa contenida en cada uno de los volúmenes anteriores, la densidad en el punto común a todos esos volúmenes:

La unidad es kg/m³ en el SI.

Como ejemplo, un objeto de plomo es más denso que otro de corcho, con independencia del tamaño y masa.

DILATACIÓN LINEAL

La dilatación lineal es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, o sea, en el ancho, largo o altura del cuerpo.

Dilatación lineal:


L = Lo (1 + α ∆T)

Dilatación de área

Cuando un área o superficie se dilata, lo hace incrementando sus dimensiones en la misma proporción. Por ejemplo, una lámina metálica aumenta su largo y ancho, lo que significa un incremento de área. La dilatación de área se diferencia de la dilatacion lineal porque implica un incremento de área.
El coeficiente de dilatación de área es el incremento de área que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de área igual a la unidad, al elevarse su temperatura un grado centigrado. Este coeficiente se representa con la letra griega gamma (γ). El coeficiente de dilatación de área se usa para los sólidos. Si se conoce el coeficiente de dilatación lineal de un solido, su coeficiente de dilatación de área será dos veces mayor:

Al conocer el coeficiente de dilatación de área de un cuerpo sólido se puede calcular el área final que tendrá al variar su temperatura con la siguiente expresión:

Donde:

γ=coeficiente de dilatación de área [°C^-1]

A₀ = Área inicial

A_f = Área final

T₀ = Temperatura inicial.

T_f = Temperatura final

Dilatación volumétrica.

Ya para finaliza con este tema pasemos a la dilatación volumétrica.

Es aquella en que predomina la variación en tres dimensiones, o sea, la variación del volumen del cuerpo, este fenómeno se ve dado por la siguiente formula;
ΔV=ᵧVoΔT   
donde;

ΔV  representa el aumento de volumen del cuerpo.

Vo  representa el volumen inicial.

ΔT  es el cambio de temperatura.

"La dilatación anómala del agua"

Una de las propiedades físicas más curiosas e importantes del agua es su dilatación anómala.
Esta dilatación o contracción del agua se puede medir fácilmente observando el nivel del agua. A medida que se incremente la temperatura del agua, esta ira bajando gradualmente indicando una contracción. La contracción continuara hasta que la temperatura del bulbo y la del agua sean de 4°C. Cuando la temperatura aumenta por arriba de 4°C, el agua cambia de direccion y se eleva en forma continua, indicando la dilatacion normal con un incremento de temperatura. Esto significa que el agua tiene su volumen minimo y su densidad maxima a 4°C. La variacion en la densidad del agua con la temperatura se muestra en la imagen.

La dilatación del agua es irregular ya que a medida que su temperatura aumenta primero se contraerá y luego se dilata.

La densidad decrece de forma gradual hasta que el agua alcanza su punto de congelación. El hielo ocupa un volumen mayor que el agua. El mayor volumen del hielo se debe a la forma en que se unen los grupos de moléculas en una estructura cristalina. A medida que se funde el hielo , el agua formada aun contiene grupos de moléculas enlazadas en esa estructura cristalina abierta. Cuando estas estructuras empiezan a romperse, las moléculas se mueven muy juntas, aumentando la densidad. Este es el proceso dominante hasta que el agua alcanza una temperatura de 4°C. Desde ese punto hasta altas temperaturas, se produce un aumento en la amplitud de las vibraciones moleculares y el agua se dilata.

Gracias a la dilatación anómala del agua es posible la vida en los ecosistemas acuáticos. En un lago de montaña, por ejemplo, al llegar el invierno, el agua se congela. Pero como el hielo flota, solo se congela una delgada capa de agua, que queda en la superficie. El agua por debajo está muy fría, pero el hielo la aísla de las bajas temperaturas del exterior y así no llega a congelarse. Gracias a esto, las plantas y los animales acuáticos pueden sobrevivir en invierno. En la naturaleza, normalmente, siempre hay agua líquida bajo el hielo.

Como vemos esta propiedad del agua es muy interesante y se puede ver reflejada en varios aspectos de la naturaleza y en nuestra vida diaria.

Volumen

El volumen es una magnitud escalar definida como la extensión en tres dimensiones de una región del espacio. Es una magnitud derivada de la longitud, ya que se halla multiplicando la longitud, el ancho y la altura. Desde un punto de vista físico, los cuerpos materiales ocupan un volumen por el hecho de ser extensos, fenómeno que se debe al principio de exclusión de Pauli.
La capacidad y el volumen son términos equivalentes, pero no iguales. Se define la capacidad de un recipiente como la "propiedad de una cosa de contener otras dentro de ciertos límites". La capacidad se refiere al volumen de espacio vacío de alguna cosa que es suficiente para contener a otra u otras cosas.

v=m=m/d