La dilatación y contracción térmica son dos conceptos fundamentales en la física que se refieren a la expansión y la contracción de los materiales debido a las variaciones de temperatura. Ambos fenómenos están presentes en numerosas situaciones cotidianas y tienen aplicaciones prácticas en diversas ramas de la ciencia y la tecnología, como la construcción, la ingeniería mecánica, la electrónica, la metrología, entre otras.
Qué es la dilatación térmica
La dilatación térmica es el proceso por el cual los materiales aumentan su volumen debido al aumento de su temperatura. Este fenómeno se produce porque el calor incrementa la agitación de las partículas que forman los cuerpos, lo que genera un aumento de espacio entre las mismas y, en consecuencia, una mayor separación entre los átomos que las integran. Como resultado, el volumen del material aumenta proporcionalmente a su temperatura.
La dilatación térmica se produce en todos los estados de la materia, pero es más evidente en los líquidos y gases, ya que estos materiales tienen mayor libertad de movimiento que los sólidos. En efecto, los líquidos y gases pueden modificar su forma y ocupar diferentes volúmenes en función de la temperatura y la presión a las que se encuentren sometidos. Los sólidos, por su parte, presentan una mayor cohesión entre sus partículas, lo que dificulta la observación del fenómeno de dilatación.
Coeficiente de dilatación
La dilatación térmica de un material depende de su coeficiente de dilatación, que es una constante física que indica la variación de longitud, superficie o volumen que experimenta el material por unidad de temperatura. El coeficiente de dilatación es específico de cada material y se mide en grados Celsius inversos. El valor del coeficiente de dilatación varía en función de la naturaleza y la estructura del material.
Por ejemplo, en el hierro se estima en 11 x 10^-6 ºC^-1, en el cobre es de 17 x 10^-6 ºC^-1, y en el vidrio es de 9.5 x 10^-6 ºC^-1. Esto significa que por cada grado Celsius que aumenta la temperatura, un centímetro de hierro se expande 0.000011 cm, mientras que un centímetro de vidrio se expande 0.0000095 cm.
Tipos de dilatación
En función de las dimensiones predominantes del cuerpo que se dilata, se pueden distinguir tres tipos de dilatación: lineal, superficial y volumétrica. La dilatación lineal afecta a objetos que tienen una dimensión principal más larga que las demás, como barras, varillas, cables, entre otros. En la dilatación superficial, se consideran objetos cuyas dimensiones son iguales en todos los sentidos, como las caras o los paneles. La dilatación volumétrica se aplica a sólidos cuyas tres dimensiones son distintas, como los cubos y los paralelepípedos.
Cálculo de la dilatación térmica
Para calcular la dilatación térmica de un objeto se emplean distintas fórmulas en función del tipo de dilatación que se quiera medir. En la dilatación lineal, por ejemplo, se utiliza la ecuación:
dL = L x α x ΔT
Donde dL es la variación de la longitud, L es la longitud original del objeto, α es el coeficiente de dilatación lineal y ΔT es la variación de temperatura en grados Celsius. La dilatación superficial y volumétrica se calculan de manera similar, empleando las fórmulas:
dS = S x β x ΔT
dV = V x γ x ΔT
Donde dS es la variación de la superficie, S es la superficie original, β es el coeficiente de dilatación superficial, dV es la variación del volumen, V es el volumen original y γ es el coeficiente de dilatación volumétrica.
Qué es la contracción térmica
La contracción térmica es un fenómeno que ocurre cuando se retira temperatura de la materia, lo que provoca la disminución de sus dimensiones. Al igual que la dilatación térmica, la contracción térmica se produce en todos los estados de la materia, pero es más evidente en los líquidos y gases.
La contracción térmica se debe al efecto que produce la inyección o retirada de energía calórica sobre las partículas de la materia. Cuando se enfría un material, disminuye la energía térmica disponible para las partículas, lo que reduce su movimiento y su distancia relativa entre sí, por lo que se contraen y se comprimen. Como resultado, su volumen se reduce proporcionalmente a su descenso de temperatura.
En la industria de la construcción, la contracción térmica es importante ya que la elección de materiales según las condiciones climáticas es fundamental para la estabilidad de las edificaciones. No todos los materiales responden de la misma manera a los procesos de dilatación y contracción, por lo que se debe anticipar estos efectos al seleccionar los materiales y diseñar la estructura de los edificios.
Ejemplos de contracción térmica
La contracción térmica es observable en numerosas situaciones cotidianas y tiene aplicaciones prácticas en numerosas ramas de la ciencia y la tecnología. Por ejemplo:
- Destapar frascos utilizando calor: al calentar la tapa del frasco bajo un chorro de agua caliente, se produce la contracción térmica del metal, lo que reduce su tamaño y libera la presión sobre el vidrio.
- Congelamiento del agua: cuando se congela el agua, se produce la contracción térmica de sus moléculas, lo que genera la expansión del hielo y la rotura de las tuberías y los recipientes congelados.
- Erosión térmica en las rocas: los cambios bruscos de temperatura pueden inducir la erosión térmica en las rocas, lo que puede dar lugar a la formación de cuevas y grietas.
- Ensamblaje por contracción al frío: en algunos procesos de fabricación de piezas mecánicas, se utilizan técnicas de ensamblaje por contracción al frío, que aprovechan la contracción térmica de los materiales para fijar las piezas sin necesidad de utilizar adhesivos o soldaduras.
- Fijación de baldosas de cerámica: al fijar las baldosas de cerámica en el suelo o las paredes, se utiliza una base flexible que permite la dilatación y la contracción térmica de los azulejos sin que se produzcan fisuras o deformaciones.
- Funcionamiento de termómetros de mercurio: el termómetro de mercurio aprovecha la dilatación térmica del líquido para medir la temperatura ambiente.
Juntas de dilatación en la construcción
En la construcción, la dilatación y la contracción térmica pueden generar tensiones mecánicas si no se tiene en cuenta la dilatación térmica de los materiales utilizados. Cada material tiene su propio coeficiente de dilatación térmica, lo que implica que la unión de dos materiales con diferentes coeficientes de expansión puede generar tensiones mecánicas y fisuras en la estructura del edificio. Para prevenir estos problemas, se utilizan juntas de dilatación cada cierta distancia en las construcciones de gran tamaño.
Las juntas de dilatación son elementos flexibles que se instalan entre las estructuras de distintos materiales para permitir su movimiento y evitar la aparición de fisuras. Los selladores utilizados en las juntas de dilatación deben soportar el porcentaje de movimiento de la junta y ajustarse al tamaño de los diferentes materiales utilizados.
Los productos illbruck están diseñados para responder a los problemas de dilatación en la construcción, asegurando una alta calidad y durabilidad en la ejecución de proyectos de construcción y reformas.
Conclusiones
El fenómeno de dilatación y contracción térmica es fundamental en la física y posee aplicaciones prácticas en muchos sectores económicos como la construcción, la electrónica y la ingeniería en general. Los coeficientes de dilatación de los materiales permiten anticipar los efectos de la temperatura sobre los objetos y, de esta manera, evitar problemas de estabilidad y seguridad en las construcciones, como grietas y deformaciones. Los distintos tipos de dilatación y contracción térmica tienen aplicaciones específicas en los distintos campos de investigación y desarrollo tecnológico, y su estudio es fundamental para entender las propiedades de los materiales y sus beneficios en distintas aplicaciones prácticas.
