DILATACIÓN
TÉRMICA
La dilatación térmica corresponde al efecto en el cual, las
sustancias se 'agrandan' al aumentar la temperatura. En objetos
sólidos, la dilatación térmica produce un
cambio en las dimensiones lineales de un cuerpo, mientras que en el caso de
líquidos y gases, que no tienen forma permanente, la dilatación
térmica se manifiesta en un cambio en su volumen.
Dilatación lineal
Consideremos primero la dilatación térmica de un objeto
sólido, cuyas dimensiones lineales se pueden representar por l0 , y que se dilata en una cantidad ΔL.
Experimentalmente se ha encontrado que para casi todas las sustancias y dentro
de los límites de variación normales de la temperatura, la
dilatación lineal ΔL es directamente proporcional al tamaño
inicial l0 y al cambio en la temperatura Δt, es decir
= = .
Donde se llama coeficiente de dilatación lineal, cuya unidad es el
recíproco del
grado, es decir [°C]-1.
Dilatación superficial
Es el mismo concepto que el de dilatación lineal salvo que se aplica a
cuerpos a los que es aceptable y preferible considerarlos como regiones
planas; por ejemplo, una plancha metalica. Al serle transmitida cierta
cantidad de calor la superficie del objeto sufrira un
incremento de area: ΔA.
= = .
Donde γ se llama coeficiente de
dilataciónsuperficial.
Dilatación volumétrica
La dilatación volumétrica de un líquido o un gas se
observa como un cambio de volumen ΔV en una cantidad de sustancia de
volumen V0, relacionado con un cambio de temperatura Δt. En este caso, la
variación de volumen ΔV es directamente proporcional al volumen
inicial V0 y al cambio de temperatura Δt, para la mayor parte de las
sustancias y dentro de los límites de variación normalmente
accesibles de la temperatura, es decir
= = .
donde β se llama coeficiente de dilatación
volumétrica, medida en la misma unidad que el coeficiente de
dilatación lineal 2 alfa.
Se puede demostrar facilmente usando el algebra que
Analogamente se puede obtener el coeficiente de dilatación
superficial γ dado por:
COEFICIENTES DE DILATACIÓN
De forma general, durante una transferencia de calor, la energía que
esta almacenada en los enlaces intermoleculares entre dos atomos
cambia. Cuando la energía almacenada aumenta, también lo hace la
longitud de estos enlaces. Así, los sólidos normalmente se
expanden al calentarse y se contraen al enfriarse 1]
este comportamiento de respuesta ante la temperatura se expresa mediante el
coeficiente de dilatación térmica (típicamente expresado
en unidades de °C-1):
Sólidos
Para sólidos, el tipo de coeficientede dilatación mas
comúnmente usado es el coeficiente de dilatación lineal αL.
Para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente
comparando el valor de dicha magnitud antes y después de cierto cambio
de temperatura, como
Puede ser usada para abreviar este coeficiente, tanto la letra griega alfa como la letra lambda .
Gases y líquidos
En gases y líquidos es mas común usar el coeficiente de
dilatación volumétrico αV o β, que viene dado por la
expresión
Para sólidos, también puede
medirse la dilatación térmica, aunque resulta menos importante en
la mayoría de aplicaciones técnicas. Para la mayoría de
sólidos en las situaciones practicas de interés, el
coeficiente de dilatación volumétrico resulta ser mas o
menos el triple del coeficiente de dilatación lineal:
Algunos valores de coeficientes de expansión volumétrica, que son
constantes cuando el cambio de temperatura es menor que 100°C[2] |
Líquido | β (×10-4 °C-1) |
Alcohol | 11 |
Benceno | 12,4 |
Glicerina | 5,1 |
Mercurio | 1,8 |
Agua | 2,1 |
Gasolina | 9,5 |
Acetona | 15 |
Aire (20°C) | 34,1 |
Aire (0°C) | 36,6 |
APLICACIONES
El conocimiento del coeficiente de dilatación (lineal) adquiere una gran
importancia técnica en muchas areas del diseño industrial.
Un buen ejemploson los rieles del ferrocarril; estos van soldados unos con
otros, por lo que pueden llegar a tener una longitud de varios centenares de
metros. Si la temperatura aumenta mucho la vía
férrea se desplazaría por efecto de la dilatación,
deformando completamente el trazado. Para evitar esto, se estira el
carril artificialmente, tantos centímetros como si fuese una
dilatación natural y se corta el sobrante, para volver a soldarlo. A este proceso se le conoce como neutralización de tensiones.
Para ello, cogeremos la temperatura media en la zona y le restaremos la que
tengamos en ese momento en el carril; el resultado lo
multiplicaremos por el coeficiente de dilatación del acero y por la longitud de la vía
a neutralizar.
Valores del coeficiente de dilatación lineal
Algunos coeficientes de dilatación, que son constantes cuando el cambio
de temperatura es menor que 100°C[2] |
Material | α (°C-1) |
Hormigón | 2.0 x 10-5 |
Acero | 1.0 x 10-5 |
Hierro | 1.2 x 10-5 |
Plata | 2.0 x 10-5 |
Oro | 1.5 x 10-5 |
Invar | 0,04 x 10-5 |
Plomo | 3.0 x 10-5 |
Zinc | 2.6 x 10-5 |
Aluminio | 2.4 x 10-5 |
Latón | 1.8 x 10-5 |
Cobre | 1.7 x 10-5 |
Vidrio | 0.7 a 0.9 x 10-5 |
Cuarzo | 0.04 x 10-5 |
Hielo | 5.1 x 10-5 |
Diamante | 0.12 x 10-5 |
Grafito | 0.79 x 10-5 |
