Thermal expansion and specific heat capacity · Expansión térmica y calor específico
| English | Español |
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| specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ | capacidad calorífica específica |
| thermal expansion/ˈθɜːml ekˈspænʃn/ | expansión térmica |
| internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ | energía interna |
Why bridges have gaps
- Railway lines have small gaps; bridges sit on rollers; power cables hang loose in summer.
- All for the same reason: things get bigger when they are heated.
- Heating also stores energy inside matter — measured by its specific heat capacity 比热容.
¿Por qué los puentes tienen juntas de dilatación
- Las vías férreas tienen pequeñas separaciones; los puentes descansan sobre rodillos; los cables eléctricos cuelgan con holgura en verano.
- Todos estos fenómenos tienen la misma causa: las cosas se expanden cuando se calientan.
- Calentar también almacena energía dentro de la materia, medida por su calor específico (specific heat capacity).
Thermal expansion 热膨胀
- Heat a material and its particles move more, so they take up more space — it expands.
- Gases expand the most, then liquids, then solids (whose particles are held tightly).
- Engineers leave gaps in rails and put bridges on rollers so the expansion does not buckle them.
- A tight metal jar lid loosens when you run it under hot water — the metal expands.
Thermal expansion: heating makes the rail longer, closing the gap left for it.
Worked example. A steel bridge is $50\ \text{m}$ long at $10\ {}^{\circ}\text{C}$. Steel expands about $0.012\ \text{mm}$ per metre per ${}^{\circ}\text{C}$. If the temperature rises to $40\ {}^{\circ}\text{C}$ (a $30\ {}^{\circ}\text{C}$ rise): expansion $= 50 \times 0.012 \times 30 = 18\ \text{mm}$. That's why bridges have expansion joints!
The particles don't get bigger. When a solid expands, the particles themselves stay the same size — they just vibrate more and push further apart. This is a common exam misconception.
Dilatación térmica 热膨胀
- Al calentar un material, sus partículas se mueven más, por lo que ocupan más espacio — el material se expande.
- Los gases se expanden más, seguidos de los líquidos y luego los sólidos (cuyas partículas están unidas firmemente).
- Los ingenieros dejan juntas en las vías y colocan los puentes sobre rodillos para evitar que la expansión los deformé.
- Una tapa de metal apretada se afloja al pasarla bajo agua caliente — el metal se expande.
Dilatación térmica: el calor hace que la vía sea más larga, cerrando la separación prevista para ella.
Ejemplo resuelto. Un puente de acero tiene $50\ \text{m}$ de longitud a $10\ {}^{\circ}\text{C}$. El acero se expande aproximadamente $0.012\ \text{mm}$ por metro por cada ${}^{\circ}\text{C}$. Si la temperatura sube a $40\ {}^{\circ}\text{C}$ (un aumento de $30\ {}^{\circ}\text{C}$): la expansión es $= 50 \times 0.012 \times 30 = 18\ \text{mm}$. ¡Por eso los puentes tienen juntas de dilatación!
Las partículas no se hacen más grandes. Cuando un sólido se expande, las propias partículas mantienen su tamaño original; simplemente vibran más y se empujan más lejos unas de otras. Este es un error común en los exámenes.
Heating and specific heat capacity · Calentamiento y calor específico
Q = mcΔT
The heat energy needed is proportional to the temperature rise for a given mass of material. · La energía de calor necesaria es proporcional al aumento de temperatura para una masa dada de material.
For the same rise in temperature, which expands the most? · Para el mismo aumento de temperatura, ¿cuál se expande más?
Gases expand the most, then liquids, then solids (whose particles are held most tightly). · Los gases se expanden más, luego los líquidos y después los sólidos (cuyas partículas están unidas con mayor fuerza).
Why are small gaps left between railway lines? · ¿Por qué se dejan pequeños espacios entre las vías del tren?
On a hot day the rails expand. The gaps give the extra length somewhere to go, so the track does not bend out of shape. · En un día caluroso, los rieles se expanden. Los espacios dan lugar donde ir a la longitud extra, para que la vía no se doble ni pierda su forma.
Internal energy 内能
- The internal energy of an object is the total energy of all its particles (their movement and arrangement).
- Heating an object raises its internal energy — usually raising its temperature too.
The same hand in ordinary light and through a thermal (infrared) camera
Energía interna 内能
- La energía interna de un objeto es la energía total de todas sus partículas (su movimiento y disposición).
- Calentar un objeto aumenta su energía interna, elevando generalmente también su temperatura.
La misma mano bajo luz normal y a través de una cámara térmica (infrarroja)
Specific heat capacity
- The specific heat capacity $c$ is the energy needed to raise the temperature of $1\ \text{kg}$ of a material by $1\ {}^{\circ}\text{C}$:
- So the energy to warm something is $\Delta E = m c\,\Delta\theta$.
- Water has a very high $c$ ($\approx 4200$ joules per kg per °C): it needs a lot of energy to warm up and cools down slowly. That is why the sea stays mild and water is used in heating systems.
A digital thermometer measures temperature
Calor específico
- El calor específico $c$ es la energía necesaria para elevar la temperatura de $1\ \text{kg}$ de un material en $1\ {}^{\circ}\text{C}$:
- Por tanto, la energía requerida para calentar algo es $\Delta E = m c\,\Delta\theta$.
- El agua tiene un $c$ muy alto ($\approx 4200$ julios por kg por °C): necesita mucha energía para calentarse y se enfría lentamente. Por eso el mar mantiene temperaturas moderadas y el agua se utiliza en sistemas de calefacción.
Un termómetro digital mide la temperatura
How much energy is needed to heat $2.0\ \text{kg}$ of water by $10\ {}^{\circ}\text{C}$? (Use $c = 4200$ J per kg per °C.) · ¿Cuánta energía se necesita para calentar $2.0\ \text{kg}$ de agua $10\ {}^{\circ}\text{C}$? (Use $c = 4200$ J por kg por °C.)
$\Delta E = mc\,\Delta\theta = 2.0 \times 4200 \times 10 = 84\,000\ \text{J}$.
Adding $8400\ \text{J}$ raises the temperature of $0.50\ \text{kg}$ of a metal by $40\ {}^{\circ}\text{C}$. What is its specific heat capacity, in J per kg per °C? · Añadir $8400\ \text{J}$ eleva la temperatura de $0.50\ \text{kg}$ de un metal en $40\ {}^{\circ}\text{C}$. ¿Cuál es su calor específico, en J por kg por °C?
$c = \dfrac{\Delta E}{m\,\Delta\theta} = \dfrac{8400}{0.50 \times 40} = \dfrac{8400}{20} = 420$ J per kg per °C. · $c = \dfrac{\Delta E}{m\,\Delta\theta} = \dfrac{8400}{0.50 \times 40} = \dfrac{8400}{20} = 420$ J por kg por °C.
Because water has a high specific heat capacity, it warms up and cools down slowly. · Debido a que el agua tiene un alto calor específico, se calienta y se enfría lentamente.
A high specific heat capacity means a lot of energy is needed per degree, so water changes temperature slowly. · Un alto calor específico significa que se necesita mucha energía por cada grado, por lo que el agua cambia de temperatura lentamente.
You've got it
- heating makes matter expand — gases most, solids least; leave gaps for it
- internal energy = total energy of all the particles
- specific heat capacity $c = \dfrac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$, so $\Delta E = mc\,\Delta\theta$
- water has a high $c$ → warms and cools slowly
Ya lo tienes
- calentar hace que la materia se expanda — gases más, sólidos menos; dejar juntas para ello
- energía interna = energía total de todas las partículas
- calor específico $c = \dfrac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$, por lo que $\Delta E = mc\,\Delta\theta$
- el agua tiene un $c$ alto → se calienta y enfría lentamente