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Dilatación térmica
Introducción a la dilatación térmica
La dilatación térmica -también conocida como expansión térmica- es un fenómeno físico relevante tanto en la vida cotidiana como en la tecnología. Describe el cambio en las dimensiones geométricas de un cuerpo cuando cambia su temperatura. Comprender y medir con precisión esta propiedad es especialmente importante en la construcción, la ingeniería mecánica y la investigación de materiales.
Fundamentos de la dilatación térmica
¿Qué es la dilatación térmica?
Un aumento de temperatura incrementa el movimiento molecular a nivel de partículas de un material y, en consecuencia, también aumenta su necesidad de espacio. El efecto resultante es entonces una expansión del material. Al enfriarse, la necesidad de espacio vuelve a disminuir y, en consecuencia, se produce una contracción térmica.
Causas y principio físico
- La causa es el aumento de la energía cinética de las partículas al calentarse.
- En consecuencia, aumenta la distancia entre las partículas.
- Cada material tiene un coeficiente de dilatación característico, que indica cuánto se dilata cuando cambia la temperatura, en función de las partículas que contiene y de sus grados de libertad.
Formas de dilatación térmica
La dilatación térmica puede manifestarse en distintas dimensiones según la forma del cuerpo y la composición del material: en longitud, área o volumen.
Expansión lineal
Con la dilatación lineal, la longitud de un cuerpo cambia a lo largo de un eje, por ejemplo en el caso de una varilla metálica, que se alarga visiblemente cuando se calienta. Esta forma de dilatación térmica es fácil de medir y es la aplicación más habitual.
Expansión superficial
En este caso, aumenta la superficie de un cuerpo, normalmente en el caso de planchas o láminas que se expanden uniformemente en dos direcciones espaciales.
Ampliación de volumen
La expansión volumétrica se refiere a la expansión espacial en las tres direcciones. Se produce principalmente en líquidos y gases, pero también puede observarse en sólidos y calcularse en parte a partir de la dilatación lineal de un eje.
Descripción matemática
Expansión lineal
\Delta L = \alpha \cdot L_0 \cdot \Delta T
\quad \text{con} \quad
\begin{cases}
\Delta L : \text{Cambio de longitud (m)} \\
\alpha : \text{Coeficiente de dilatación lineal (1/K)} \\
L_0 : \text{Longitud inicial (m)} \\
\Delta T : \text{Cambio de temperatura (K)}
\end{cases}
\)
Ampliación de volumen
\Delta V = \gamma \cdot V_0 \cdot \Delta T
\quad \text{con} \quad
\begin{cases}
\Delta V : \text{Cambio de volumen (m³)} \\
\gamma : \text{Coeficiente de dilatación volumétrica (1/K)} \\
V_0 : \text{Volumen inicial (m³)} \\
\Delta T : \text{Cambio de temperatura (K)}
\end{cases}
\)
Métodos de medición para determinar la dilatación térmica
Dilatómetro
Un dilatómetro mide el cambio de longitud o volumen de una muestra de temperatura y cambio de temperatura definidos. La muestra se calienta o enfría y su cambio de longitud se transfiere a un transductor de desplazamiento mediante una varilla de empuje. La dilatación inherente al sistema de medición se compensa o corrige utilizando material de referencia.
Variables típicas medidas:
- Coeficiente lineal de dilatación térmica (CTE)
- Temperaturas y etapas de sinterización
- Temperaturas de transición vítrea (Tg)
- Transiciones de fase
- Cambios de volumen y densidad
Ámbitos de aplicación:
- Materiales: Metales, cerámicas, vidrios, polímeros, compuestos
- Rango de temperatura posible: de -260 °C a +2800 °C (según la configuración del aparato)
Análisis termomecánico (ATM)
El análisis termomecánico (ATM) es un método para medir los cambios dimensionales bajo carga mecánica a una temperatura definida. Una sonda presiona la muestra con una fuerza constante mientras se modifica lentamente la temperatura. Un sensor, a menudo un transformador diferencial o LVDT (transformador diferencial variable lineal), mide en tiempo real los cambios de longitud resultantes.
Propiedades medidas:
- Dilatación lineal y coeficiente de dilatación
- Puntos de ablandamiento
- Procesos de contracción durante la sinterización
- Transición vítrea, punto de fusión, cristalización
- Fluencia y relajación (deformación dependiente del tiempo bajo carga)
Aplicaciones típicas:
- Analizar sólidos, líquidos y materiales pastosos
- Adecuado para: Plásticos, elastómeros, adhesivos, metales, cerámica, materiales compuestos
- Complementa otros métodos como DSC, TGA y DMA
Gracias a su alta sensibilidad, la TMA no sólo permite determinar la expansión, sino también detectar transiciones físicas débiles, como cambios en la red cristalina, endurecimiento o deslaminación. Esto la convierte en una herramienta versátil para la investigación y la industria.
Utilización de dilatómetros para analizar la dilatación térmica
Funcionalidad en detalle
Los dilatómetros son instrumentos esenciales para determinar la dilatación térmica de los materiales. La medición se realiza mediante componentes mecánicos, como una varilla de empuje, o sin contacto, mediante sensores ópticos. La muestra se coloca en un horno calentable en el que se recorre un perfil de temperatura definido. A medida que cambia la temperatura, un transductor de desplazamiento de alta precisión mide el cambio de longitud del material de la muestra. Esta medición permite determinar el coeficiente lineal de dilatación térmica (CTE), un parámetro clave para describir el comportamiento térmico de los materiales.
Pasos clave en el proceso de medición:
- La muestra se calienta o enfría de forma controlada.
- El cambio de longitud resultante se registra con gran precisión.
- El CET se calcula a partir de la relación entre el cambio de longitud y el cambio de temperatura.
Este método permite una resolución en el rango submicrométrico y es adecuado tanto para los controles de calidad rutinarios como para las aplicaciones de investigación.
Aplicaciones y variables típicas medidas
Los dilatómetros proporcionan una variedad de parámetros medibles que son de vital importancia para el desarrollo de materiales y procesos industriales:
Aplicaciones típicas:
- Determinación de las transiciones vítreas y de fase
- Análisis del comportamiento de la contracción en los procesos de sinterización
- Medición de los cambios de volumen y densidad
- Uso en garantía de calidad, desarrollo de materiales e investigación
Diferencias entre materiales
Comparación de los coeficientes de dilatación
- Plásticos: p. ej. PE = 2,10-4 K-1 K
- Metales: aluminio = 23,8-10-6 K-1, estaño = 11-1310-6 K-1
- Cerámica/vidrio: Al₂O₃ = 7,5-10-6 K-1
- Materiales especiales: Invar = 0,55-1,2-10-6 K-1
Importancia para las aplicaciones técnicas
- Las grandes diferencias pueden provocar tensiones y el fallo del material.
- La selección precisa del material es crucial para conseguir diseños duraderos.
Aplicaciones prácticas y retos
Importancia intersectorial
La dilatación térmica es una cuestión clave en numerosas disciplinas técnicas. Según el ámbito de aplicación, puede aprovecharse de forma selectiva o debe compensarse activamente para evitar daños en los componentes o pérdidas funcionales. Las medidas de diseño bien pensadas son esenciales, sobre todo en caso de cambios permanentes de temperatura, como ocurre en muchos entornos técnicos.
Áreas típicas de aplicación de :
- Construcción: Las juntas de dilatación en puentes, calzadas o tuberías garantizan que los materiales puedan dilatarse o contraerse con los cambios de temperatura sin causar grietas ni daños estructurales.
- Ingeniería mecánica: En máquinas y sistemas, a menudo tienen que funcionar juntos componentes con diferentes comportamientos de dilatación. Si no se tienen en cuenta estas diferencias, existe riesgo de tensiones, fugas o desgaste prematuro.
- La electrónica: Las placas de circuitos impresos, los semiconductores y las carcasas suelen estar hechos de materiales diferentes. Una combinación incorrecta con diferentes valores de CET puede provocar fracturas en las juntas de soldadura o grietas en el material.
- Aeroespacial: Aquí los requisitos son especialmente elevados. Los componentes deben ser capaces de soportar el frío extremo en el espacio, así como el calor extremo cuando se exponen a la atmósfera, sin deformarse ni perder su función.
Ejemplos prácticos
- Las vías férreas se colocan con huecos para evitar la deformación debida a la dilatación térmica.
- El vidrio de borosilicato de los recipientes de laboratorio y cocina resiste los choques térmicos gracias a su bajo coeficiente de dilatación.
- El agua se dilata al congelarse, una excepción que hace que el hielo flote sobre el agua y la aísle.
Conclusión
La dilatación térmica es un fenómeno central en la física y la tecnología. Su conocimiento exacto y su medición precisa mediante dilatómetros o TMA permiten optimizar los materiales para su aplicación. Esto permite desarrollar productos que funcionan de forma fiable incluso en condiciones extremas, ya sea en la industria, la investigación o la vida cotidiana.
Fuentes recomendadas para profundizar
- LEIFIfísica: Volumen- und Längenänderung von Festkörpern
(Grundlagen der Wärmeausdehnung anschaulich erklärt) - Wikipedia: Wärmeausdehnung
(Überblick über Formen, Formeln und typische Werte) - Studyflix: Wärmeausdehnungskoeffizient
(Kompakte Erklärung mit Formeln und Beispielen) - Manual Práctico TU Dresden: Thermische Analyse
(Wissenschaftlich fundamentierte Messmethoden, inkl. TMA und Dilatometer) - PTB – Physikalisch-Technische Bundesanstalt: Dilatometer
(Ausführliche technische Beschreibung von Dilatometern) - Wiki del Servicio de Polímeros: Thermomechanische Analyse
(Aplicación específica y funcionamiento del TMA) - Universidad de Duisburgo-Essen: Dilatometrie
(Hintergrundinformationen zur thermischen Analyse fester Stoffe)
