La dilatación térmica es el fenómeno físico en el cual un material experimenta un cambio en sus dimensiones debido a variaciones en la temperatura.
Cuando se aumenta la temperatura de un objeto, las partículas que lo componen tienden a moverse con mayor energía y amplitud, lo que causa un incremento en el espacio intermolecular y, en consecuencia, en sus dimensiones macroscópicas.
La dilatación térmica es un fenómeno relevante en muchas aplicaciones prácticas y puede tener efectos significativos en estructuras, sistemas mecánicos y dispositivos térmicos. Los ingenieros y diseñadores deben considerar estos efectos al diseñar componentes y sistemas que estarán sujetos a cambios de temperatura.
Existen tres tipos principales de dilatación térmica: la dilatación lineal, la dilatación superficial y la dilatación volumétrica.
Dilatación lineal
La dilatación lineal es un tipo de dilatación térmica que se produce en objetos unidimensionales, como barras, varillas o cables, cuando se someten a cambios de temperatura.
Cuando un objeto se calienta, las partículas que lo componen adquieren mayor energía cinética y se alejan entre sí, provocando un aumento en la longitud del objeto.
La fórmula para calcular la dilatación lineal de un objeto es la siguiente:
ΔL = α * L0 * ΔT
Donde:
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ΔL es la variación de longitud.
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L0 es la longitud inicial.
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α es el coeficiente de dilatación lineal del material.
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ΔT corresponde al cambio de temperatura.
Dilatación superficial
La dilatación superficial es otro tipo de dilatación térmica que se produce en objetos bidimensionales, como láminas, placas o superficies planas, cuando se someten a cambios de temperatura.
La variación del área superficial (ΔA) se relaciona con el área inicial (A0), el coeficiente de dilatación superficial (β) del material y el cambio de temperatura (ΔT) mediante la siguiente ecuación:
ΔA = β * A0 * ΔT.
El coeficiente de dilatación superficial (β) es el doble del coeficiente de dilatación lineal (α): β = 2 * α
Dilatación volumétrica
La dilatación volumétrica se refiere al cambio en el volumen de un objeto tridimensional debido a variaciones en la temperatura.
La dimensión afectada es el volumen. La variación del volumen (ΔV) se relaciona con el volumen inicial (V0), el coeficiente de dilatación volumétrica (γ) del material y el cambio de temperatura (ΔT) mediante la siguiente ecuación:
ΔV = γ * V0 * ΔT
El coeficiente de dilatación volumétrica (γ) indica cuánto se expandirá o contraerá el volumen del objeto por unidad de cambio de temperatura y es el triple del coeficiente de dilatación lineal (α): γ = 3 * α
Coeficiente de dilatación
Cada material tiene un coeficiente de dilatación específico que determina cuánto se expandirá o contraerá por unidad de cambio de temperatura. Los materiales con coeficientes de dilatación más altos tienden a experimentar una mayor expansión térmica con el aumento de la temperatura.
Los coeficientes de dilatación superficial y volumétrica son el doble y el triple respectivamente del coeficiente de dilatación lineal.
Los coeficientes de dilatación lineal se expresan generalmente en unidades de 10-6 por grado Celsius (μm/°C) o 10-6 por grado Kelvin (μm/K).
¿De qué depende la dilatación térmica de un material?
La diferencia en la dilatación térmica entre materiales depende de varias características intrínsecas de cada sustancia.
En primer lugar, la estructura atómica y el tipo de enlace en el material juegan un papel fundamental: materiales con enlaces fuertes, como los cristales iónicos o covalentes, tienden a tener una dilatación térmica más baja que aquellos con enlaces más débiles, como los materiales amorfos.
Además, la masa atómica, la densidad y la distribución de átomos también influyen, ya que materiales más densos con átomos más masivos pueden experimentar una dilatación menor en comparación con materiales menos densos.
Dilatación térmica en los gases
En el caso de los gases, la variación del volumen se rige por otras fórmulas. Por su naturaleza, los gases tienen a ocupar todo el volumen disponible manteniendo una relación equilibrada entre presión, temperatura y volumen.
Cuando un gas sufre un cambio de temperatura el volumen varía dependiendo de como varía la presión de acuerdo con la ley universal de los gases.
La ley de Charles y Gay-Lussac establece que, a presión constante, el volumen de un gas ideal es directamente proporcional a su temperatura absoluta (medida en Kelvin). La ecuación que representa esta relación es:
V2 = V1 * (T2 / T1)
Donde V1 y V2 son los volúmenes inicial y final del gas, y T1 y T2 son las temperaturas absolutas inicial y final, respectivamente.
Ejemplos de dilatación térmica en la vida cotidiana
La dilatación térmica es un fenómeno común en la vida cotidiana y se puede observar en numerosos objetos y situaciones. Aquí hay algunos ejemplos:
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Dilatación de vías y puentes: Los puentes y las carreteras están hechos de materiales como cemento y acero, los cuales se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. Por esta razón, están diseñados con juntas de dilatación para evitar grietas y roturas.
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Dilatación de rieles de tren: Los rieles de tren, generalmente hechos de acero, también sufren dilatación térmica. A medida que se calientan bajo el sol, los rieles pueden alargarse, y esto puede dar lugar a la necesidad de juntas de dilatación para evitar problemas de deformación y distorsión de las vías.
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Dilatación en líquidos: Cuando se calienta un líquido, sus moléculas ganan energía cinética y se mueven más rápido, lo que provoca que el volumen del líquido aumente. Un ejemplo común es el termómetro, donde se utiliza la dilatación de un líquido, como el mercurio, para medir la temperatura.
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Dilatación en líneas eléctricas: Los cables eléctricos, especialmente aquellos que se extienden por largas distancias, pueden sufrir dilatación térmica debido a los cambios de temperatura. Las líneas eléctricas pueden expandirse o contraerse, variando la forma de la catenaria y la fuerza de tensión que los sujeta en sus extremos.
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Dilatación en utensilios de cocina: Al calentar o enfriar sartenes, cacerolas y otros utensilios de cocina, los materiales con los que están fabricados se dilatan o contraen, lo que puede afectar su forma y ajuste.
