Coeficiente de dilatación térmica
Coeficiente de dilatación térmica
El coeficiente de dilatación térmica (CTE) describe el grado en que el tamaño de un material cambia con la temperatura. Suele expresarse en unidades de por grado Celsius (°C-¹) o por Kelvin (K-¹). Aunque la representación matemática exacta del CET implica fórmulas, el concepto gira en torno a los cambios lineales, de área o volumétricos que experimenta un material al variar la temperatura.
Factores que afectan a la expansión térmica
Varios factores influyen en el coeficiente de dilatación térmica de los materiales:
Composición del material
Los distintos materiales tienen CET intrínsecamente diferentes. Los metales, lascerámicas, los polímeros y los materiales compuestos responden de forma única a los cambios de temperatura en función de sus estructuras atómicas y moleculares.
Rango de temperatura
El CET puede variar con la temperatura. Algunos materiales presentan una expansión lineal en determinados rangos de temperatura, mientras que otros pueden tener comportamientos no lineales a temperaturas más altas o más bajas.
Anisotropía estructural
Los materiales anisótropos, que tienen propiedades dependientes de la dirección, pueden dilatarse de forma diferente a lo largo de varios ejes. Esto es especialmente importante en materiales como la madera o ciertos cristales.
Tensiones externas
Las tensiones preexistentes en un material pueden afectar a su expansión o contracción cuando cambia la temperatura. Las tensiones residuales de los procesos de fabricación pueden alterar el CET efectivo.
Factores ambientales
La exposición a diferentes entornos, como la humedad o la exposición a productos químicos, puede influir en las propiedades de dilatación térmica de los materiales a lo largo del tiempo.
Expansión térmica de materiales comunes
La siguiente tabla proporciona ejemplos de varios materiales y sus respectivos coeficientes de expansión térmica:
|
Material |
Coeficiente de expansión térmica (°C-¹) |
|
23 ×10-⁶ |
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|
Acero |
12 ×10-⁶ |
|
Vidrio |
9 ×10-⁶ |
|
Hormigón |
10 ×10-⁶ |
|
Cobre |
16.5 ×10-⁶ |
|
Latón |
19 ×10-⁶ |
|
8.6 ×10-⁶ |
|
|
Polietileno |
100 ×10-⁶ |
|
Fibra de carbono |
0.5 ×10-⁶ |
|
Invar (aleación) |
1.2 ×10-⁶ |
Expansión térmica de los metales comunes
|
Metal |
CTE (10-⁶/°C) |
|
Aluminio |
23.1 |
|
Latón |
19-21 |
|
Bronce (fósforo) |
17.6 |
|
Cobre |
16.5 |
|
Oro |
14.2 |
|
Hierro |
11.8 |
|
Plomo |
28.9 |
|
Magnesio |
25.2 |
|
Níquel |
13.3 |
|
8.8 |
|
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Plata |
19.5 |
|
Acero inoxidable (304) |
16.0 |
|
Acero inoxidable (316) |
15.9 |
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Acero al carbono |
11.7-13.0 |
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Estaño |
22.0 |
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Titanio |
8.6-9.4 |
|
4.5 |
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Zinc |
30.2 |
|
Circonio |
5.7 |
Preguntas más frecuentes
¿Qué importancia tiene el coeficiente de dilatación térmica en ingeniería?
El coeficiente de dilatación térmica es crucial en ingeniería para diseñar estructuras y componentes que puedan soportar cambios de temperatura sin experimentar tensiones o deformaciones excesivas. Garantiza la integridad y longevidad de los materiales utilizados en diversas aplicaciones.
¿Cómo afecta el coeficiente de dilatación térmica a los objetos cotidianos?
Los objetos cotidianos, como puentes, ferrocarriles y edificios, se dilatan y contraen con los cambios de temperatura. Conocer su coeficiente de dilatación térmica ayuda a diseñar juntas de dilatación y otros elementos que se adapten a estos movimientos, evitando daños estructurales.
¿Puede ser negativo el coeficiente de dilatación térmica?
Sí, algunos materiales presentan una dilatación térmica negativa, lo que significa que se contraen cuando se calientan. Estos materiales son relativamente raros y resultan interesantes para aplicaciones especializadas en las que se desea una contracción controlada.
¿Cómo se mide el coeficiente de expansión térmica?
El CET suele medirse mediante técnicas como la dilatometría, en la que se controla el cambio de longitud o volumen de un material al calentarlo o enfriarlo en condiciones controladas.
¿Varía el coeficiente de dilatación térmica con la pureza del material?
Sí, las impurezas y los elementos de aleación pueden afectar significativamente al CET de un material. Los materiales puros suelen tener características de dilatación diferentes a las de sus homólogos aleados.
