Causa de la dilatación

De una forma general, cuando aumentamos la temperatura de un cuerpo (sólido o líquido), aumentamos la agitación de las partículas que forman ese cuerpo. Esto causa un alejamiento entre las partículas, resultando en un aumento en las dimensiones del cuerpo (dilatación térmica). Por otra parte, una disminución en la temperatura de un cuerpo, acarrea una reducción en sus dimensiones  (construcción térmica)

En la construcción civil, por ejemplo, para prevenir posibles  trincas y rupturas por causa de dilatación térmica de los materiales, se utilizan “folgas” llamadas como juntas de dilatación.

En un sólido las moléculas tienen una posición razonablemente fija dentro de él. Al absorber calor un sólido, la energía cinética promedio de las moléculas aumenta y con ella la amplitud media del movimiento vibracional (ya que la energía total será mayor tras la absorción de calor). El efecto combinado de este incremento es lo que da el aumento de volumen del 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.

Coeficiente de dilatación

De forma general, durante una transferencia de calor, la energía cinética de las partículas del material que recibe el calor aumenta. 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; este comportamiento de respuesta ante la temperatura se expresa mediante el coeficiente de dilatación térmica (típicamente expresado en unidades de °C-1)

En otras palabras tanto el coeficiente de dilatación lineal, superficial o volumétrica es la proporción que aumenta la longitud, superficie o volumen de un cuerpo al aumentar la temperatura. Esta proporción es prácticamente constante en una amplio rango de temperaturas, por lo que se considera constante. La condición básica de la dilatación es la elasticidad, es decir, se habla de dilatación cuando un cuerpo aumenta sus dimensiones con la temperatura, pero las recupera cuando esta baja.

Para sólidos, el tipo de coeficiente de dilatación más 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:

Dónde: αL: Coeficiente de dilatación lineal

              ΔT: Variación de la temperatura

  ΔL: Variación de la longitud                        

Dilatación lineal

La dilatación lineal de materiales es un cambio en la longitud de estos, ya sea su espesor, longitud de un lado, o diámetro, a causa de un cambio en la temperatura del material. Al haber un cambio de temperatura en nuestro sólido, este a su vez gana energía térmica haciendo que los átomos del sólido se distancien cada vez más.
Para estudiar este tipo de dilatación, imaginemos una barra metálica de longitud inicial L0 y temperatura t0= 20°C.
Si calentamos esa barra hasta que la misma sufra una variación de temperatura Δt= 80°-20°= 60°C, notaremos que su longitud pasa a ser igual a L (longitud final).

Donde ΔL, es el incremento de su longitud. Además, α en este caso es el coeficiente de dilatación lineal. Como podemos observar este formulario nos da las herramientas necesarias para poder calcular los datos de la dilatación lineal.

Dilatación superficial

La dilatación superficial corresponde a la variación del área de una placa, cuando es sometida a una variación de temperatura. Las figuras a continuación, representan una placa rectangular a temperatura T_0.

Cuando una superficie se dilata, lo hace incrementando sus dimensiones en la misma proporción. Por ejemplo, una lámina metálica aumenta su largo y ancho, lo que significa un incremento de área. La dilatación de área se diferencia de la dilatación lineal porque implica un incremento de área.

El coeficiente de dilatación superficial es el incremento de área que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, al elevarse su temperatura un grado centígrado. Este coeficiente se representa con la letra griega beta (β). El coeficiente de dilatación de área se usa para los sólidos. Si se conoce el coeficiente de dilatación lineal de un sólido, su coeficiente de dilatación de área será dos veces mayor: β = 2α. Como se puede notar, el formulario de dilatación superficial es muy parecido al del usado en la dilatación lineal.

Dilatación volumétrica

Es aquella en que predomina la variación en tres dimensiones, o sea, la variación del volumen del cuerpo tanto longitud, anchura y altura. Para estudiar este tipo de dilatación, podemos imaginar un cubo metálico de volumen inicial Vo y la temperatura inicial to. Si lo calentamos hasta la temperatura final (tf), su volumen pasará a tener un valor final igual a V.

Habiendo entendido el concepto de dilatación lineal, resulta sencillo resolver problemas sobre dilatación volumetrica. Si en este tipo de dilatacion contamos con el coeficiente de dilatacion lineal del material que estamos calentado podemos obtener a la par su coeficiente de dilatación volumetrica empleando la formula: γ = 3α, donde γ es el Coef. De dilatacion volumétrica y α el de dilatacion lineal. Con ello ya calculado podemos hacer uso del formulario expuesto.