Dilatación
Bases del fenómeno
La dilatación térmica tiene un fundamento físico diferente en líquidos, gases y sólidos. En los gases las moléculas están deslocalizadas, por lo que a lo largo del tiempo una molécula puede llegar a ocupar cualquier posición en el seno de la masa gaseosa, el calentamiento produce un aumento de la energía cinética de cada molécula lo cual aumenta la presión del mismo,que a su vez es el fundamento de la dilatación térmica. En los sólidos antes de la fusión o aparición de deformaciones por calor, cada molécula está constreñida a moverse alrededor de una pequeña región alrededor de la posición de equilibrio de la misma. Al aumentar la temperatura la molécula realiza oscilaciones alrededor de su posición de equilibrio lo cual tiene el efecto de expandir elsólido. En los líquidos el proceso es más complejo y presenta características intermedias entre gases y líquidos.
Coeficientes de dilatación
Se denomina coeficiente de dilatación al cociente que mide el cambio relativo de longitud, superficie o volumen que se produce cuando un cuerpo sólido o un fluido experimenta un cambio de temperatura.
Para sólidos el tipo de coeficiente de dilatación más comúnmenteusado es el coeficiente de dilatación lineal ?L. Para una dimensión lineal cualquiera se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después de cierto cambio de temperatura como:
En gases y líquidos es más común usar el coeficiente de dilatación volumétrico ?V, que viene dado por la expresión:
Para sólidos también puede medirse la dilatación térmica, aunqueresulta menos importante en la mayoría de aplicaciones técnicas.
Dilatación lineal
El cambio total de longitud de la dimensión lineal que se considere, expresarse como:
Lf = L0[1 + ?L(Tf ? T0)]
Donde:
?=coeficiente de dilatación lineal [1/C°]
L0= Longitud inicial del cuerpo.
Lf= Longitud final del cuerpo.
T0= Temperatura inicial del cuerpo.
Tf= Temperatura final del cuerpo.
Dilatación superficial
Ladilatación superfical de un sólido isótropo tiene un coeficiente de dilatación superficial que es aproximadamente dos veces el coeficiente de dilatación lineal. Por ejemplo si se considera una placa rectangular (de dimensiones: Lx y Ly), y se somete a un incremento uniforme de temperatura, el cambio de superficial vendrá dado por:
Dilatación volumétrica
Un sólido isótropo tiene un coeficiente dedilatación volumétrico que es aproximadamente tres veces el coeficiente de dilatación lineal. Por ejm si se considera un pequeño prisma rectangular (de dimensiones: Lx, Ly y Lz), y se somete a un incremento uniforme de temperatura, el cambio de volumen vendrá dado por:
Se denomina dilatación al cambio de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al cambio detemperatura que se provoca en ella por cualquier medio.
Causa de la dilatación
En un sólido las moléculas tienen una posición razonablemente fija dentro de él, y tienen un movimiento vibracional. Al absorber calor la energía cinética promedio de las moléculas aumenta y con ella la amplitud media del movimiento vibracional. El efecto combinado de este incremento es lo que da el aumento de volumendel cuerpo. En los gases el fenómeno es diferente, ya que la absorción de calor aumenta la energía cinética media de las moléculas lo cual hace que la presión sobre las paredes del recipiente aumente. El volumen final por tanto dependerá en mucha mayor medida del comportamiento de las paredes.
Aplicaciones
El conocimiento del coeficiente de dilatación (lineal) adquiere una gran importanciatécnica en muchas áreas del diseño industrial. Un buen ejemplo son 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…
