El coeficiente de dilatación, también conocido como coeficiente de expansión térmica, es una propiedad física de los materiales que describe cómo cambia el volumen, longitud o alguna otra dimensión de un material debido a un cambio en la temperatura. És decir, es una medida que indica cuánto se expande o contrae un material cuando se calienta o enfría.
Cuando se aumenta la temperatura de un material, sus átomos o moléculas tienden a vibrar con mayor energía, lo que resulta en un aumento en el espacio entre ellos, lo que a su vez causa la expansión del material.
De manera similar, cuando se enfría el material, la disminución de la energía térmica hace que los átomos o moléculas se acerquen, provocando una contracción.
El coeficiente de dilatación se denota generalmente con la letra griega "α" (alfa) y se mide en unidades de 1/°C (inverso de grados Celsius) o 1/°K (inverso de kelvin). Dependiendo del tipo de dilatación térmica (volumétrica, lineal o superficial), el coeficiente de dilatación puede tener diferentes valores.
Tipos de coeficientes de dilatación
Existen tres tipos principales de coeficientes de dilatación, que se utilizan para describir diferentes tipos de dilatación en los materiales. Estos coeficientes se denotan comúnmente como:
Coeficiente de Dilatación Lineal (αl)
El coeficiente de dilatación lineal se refiere al cambio en la longitud de un material en una sola dimensión (por ejemplo, en una barra o tubo) debido a los cambios de temperatura.
Se utiliza cuando el material tiene propiedades anisotrópicas (es decir, sus propiedades difieren en distintas direcciones).
Coeficiente de Dilatación Volumétrica (αv)
El coeficiente de dilatación volumétrica describe cómo varía el volumen de un material con respecto a los cambios de temperatura.
Se calcula a partir de los coeficientes de dilatación lineal en tres dimensiones (en el caso de materiales isotrópicos). Para materiales isotrópicos (con propiedades iguales en todas las direcciones), el coeficiente de dilatación volumétrica está relacionado con el coeficiente de dilatación lineal (αl) mediante la ecuación:
αv = 3 * αl
Coeficiente de Dilatación Superficial (αs)
El coeficiente de dilatación superficial se aplica a materiales en láminas o planchas, donde la dilatación ocurre principalmente en dos dimensiones (longitud y ancho) debido a cambios de temperatura.
Este coeficiente está relacionado con el coeficiente de dilatación lineal y se utiliza en cálculos donde se necesita tener en cuenta la expansión en solo dos direcciones.
¿Cómo se determina el coeficiente de dilatación de un material?
El coeficiente de dilatación térmica se determina experimentalmente mediante un proceso llamado análisis dilatométrico. A continuación, se describe un método general para determinar el coeficiente de dilatación lineal de un material:
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Se selecciona una muestra del material que se desea analizar. La muestra puede ser en forma de barra, alambre, lámina u otra geometría que facilite las mediciones.
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Se mide la longitud inicial de la muestra utilizando un instrumento de medición preciso, como un calibrador o regla milimetrada. Esta será la longitud de referencia (L0).
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Se coloca la muestra en un dispositivo llamado dilatómetro o interferómetro, que permite medir con precisión los cambios de longitud de la muestra con respecto a cambios de temperatura.
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La muestra se somete a un calentamiento controlado en el rango de temperaturas de interés de forma uniforme y gradual.
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A medida que se incrementa la temperatura, se registran las mediciones de longitud de la muestra en intervalos regulares de temperatura.
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Con los datos recopilados, se construye una gráfica de dilatación térmica, que muestra cómo cambia la longitud de la muestra en función de la temperatura. La pendiente de esta gráfica proporciona información sobre el coeficiente de dilatación lineal del material.
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El coeficiente de dilatación lineal (αl) se calcula a partir de la gráfica de dilatación térmica usando la siguiente fórmula:
αl = (ΔL / (L0 * ΔT))
Donde:
αl = Coeficiente de dilatación lineal
ΔL = Cambio de longitud de la muestra
L0 = Longitud inicial de la muestra
ΔT = Cambio de temperatura experimentado
Ejemplos de coeficientes de dilatación
A continuación, se presenta una tabla con los coeficientes de dilatación lineal aproximados para algunos materiales destacados. Los valores están en unidades de microstrain por grado Celsius (µε/°C).
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Material |
Coeficiente de Dilatación Lineal (µε/°C) |
Descripción |
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Acero (Acero al carbono) |
11 - 13 |
El acero es una aleación de hierro con carbono, ampliamente utilizado en la construcción, maquinaria y otras aplicaciones debido a su alta resistencia y maleabilidad. Su coeficiente de dilatación moderado lo hace adecuado para diversas aplicaciones. |
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Hormigón (Concreto) |
8 - 12 |
El hormigón es una mezcla de cemento, agregados y agua, utilizado para construir estructuras duraderas y sólidas. Tiene un coeficiente de dilatación más bajo en comparación con otros materiales, lo que lo hace adecuado para cimentaciones y estructuras masivas. |
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Vidrio (Vidrio borosilicato) |
3 - 4 |
El vidrio borosilicato es un tipo de vidrio resistente al calor y productos químicos. Se utiliza en aplicaciones donde se requiere transparencia y resistencia térmica, como en utensilios de laboratorio y ventanas de alta resistencia. |
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Vidrio (Vidrio común) |
8 - 10 |
El vidrio común es un material ampliamente utilizado en ventanas, envases y aplicaciones arquitectónicas. Su coeficiente de dilatación es más alto que el vidrio borosilicato, lo que lo hace más propenso a dilatarse con cambios de temperatura. |
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Aluminio |
22 - 24 |
El aluminio es un metal ligero y resistente con una amplia gama de aplicaciones en la industria, desde transporte hasta electrónica. Su alto coeficiente de dilatación lo hace ideal para aplicaciones que requieren baja inercia térmica. |
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Cobre |
16 - 18 |
El cobre es un excelente conductor de electricidad y calor, utilizado en aplicaciones eléctricas y electrónicas. Su coeficiente de dilatación moderado lo hace adecuado para aplicaciones en las que se requiere una buena conductividad térmica. |
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Latón |
19 - 20 |
El latón es una aleación de cobre y zinc, apreciada por su brillo y maleabilidad. Se utiliza en aplicaciones donde se requiere una combinación de resistencia, conductividad y estética, como en accesorios y elementos decorativos. |
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Plata |
19 - 20 |
La plata es un metal precioso conocido por su alta conductividad eléctrica y térmica. Su coeficiente de dilatación moderado lo hace adecuado para aplicaciones en las que se requiere una buena conductividad térmica con una menor expansión térmica. |
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Hierro |
11 - 12 |
El hierro es un metal abundante utilizado en la construcción y fabricación de diversas estructuras y productos industriales. Su coeficiente de dilatación moderado lo hace adecuado para aplicaciones estructurales y de ingeniería. |
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Zinc |
30 - 32 |
El zinc es un metal utilizado en la galvanización para proteger el acero de la corrosión. Su alto coeficiente de dilatación lo hace adecuado para aplicaciones donde se requiere una mayor expansión térmica. |
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Cerámica (Alúmina) |
7 - 8 |
La alúmina es una cerámica de alta resistencia utilizada en aplicaciones de alta temperatura y desgaste, como componentes de motores y herramientas de corte. Su bajo coeficiente de dilatación la hace adecuada para aplicaciones con alta estabilidad dimensional. |
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Uranio |
13 - 14 |
El uranio es un metal radioactivo utilizado en aplicaciones nucleares y como combustible en reactores nucleares. Su coeficiente de dilatación moderado lo hace relevante en el diseño de elementos de reactores. |