Coeficiente de dilatación para niños
El coeficiente de dilatación térmica es un número que nos ayuda a entender cuánto cambia de tamaño un material (ya sea su largo o su volumen) cuando su temperatura sube o baja. Imagina que calientas algo: casi siempre se hará un poco más grande. Si lo enfrías, se encogerá. Este coeficiente nos dice exactamente cuánto.
¿Por qué ocurre esto? Cuando un material se calienta, la energía que tienen sus partículas (átomos o moléculas) aumenta. Esto hace que vibren más y necesiten más espacio entre ellas. Por eso, los materiales suelen expandirse al calentarse y contraerse al enfriarse. El coeficiente de dilatación térmica nos da una medida de este cambio.
Contenido
¿Qué es el Coeficiente de Dilatación Térmica?
El coeficiente de dilatación térmica es una medida de cómo los materiales cambian de tamaño cuando su temperatura varía. Es como una regla que nos dice si algo se estirará mucho o poco al calentarse.
¿Por qué los Materiales Cambian de Tamaño con la Temperatura?
Cuando un material se calienta, sus partículas internas (átomos y moléculas) empiezan a vibrar con más energía. Al vibrar más, necesitan más espacio y se separan un poco. Esto hace que el material se expanda, es decir, se haga más grande. Cuando el material se enfría, las partículas vibran menos, se acercan y el material se contrae, haciéndose más pequeño.
Tipos de Coeficientes de Dilatación
Existen dos tipos principales de coeficientes de dilatación, dependiendo de cómo midamos el cambio de tamaño:
Coeficiente de Dilatación Lineal (para Sólidos)
Este coeficiente, que se representa con la letra griega alfa (α), mide cuánto cambia el largo de un objeto sólido. Es muy útil para cosas largas como varillas o cables. Por ejemplo, si tienes una barra de metal y la calientas, su largo aumentará. El coeficiente lineal nos dice cuánto se estirará por cada grado de temperatura que suba.
La fórmula sencilla para entenderlo es:
Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \Delta L = L \times \alpha \times \Delta T
Donde:
es el cambio en la longitud.
es la longitud original.
es el coeficiente de dilatación lineal.
es el cambio de temperatura.
Coeficiente de Dilatación Volumétrico (para Líquidos, Gases y Sólidos)
Este coeficiente, que se representa con 
o beta (β), mide cuánto cambia el volumen total de un material. Es el más común para líquidos y gases, ya que no tienen una forma fija. Para los sólidos, también se puede calcular la dilatación de su volumen. Se ha descubierto que el coeficiente de dilatación volumétrico es aproximadamente tres veces el coeficiente de dilatación lineal para el mismo material.
Aplicaciones del Coeficiente de Dilatación Térmica
Conocer el coeficiente de dilatación es muy importante en la ingeniería y la construcción. Ayuda a diseñar estructuras y objetos para que funcionen bien a diferentes temperaturas.
Construcción de Vías de Ferrocarril
Los rieles del tren son muy largos y están soldados entre sí. Si no se tuviera en cuenta la dilatación, el calor del sol podría hacer que los rieles se expandieran tanto que se doblarían y deformarían toda la vía. Para evitar esto, los ingenieros estiran los rieles artificialmente con máquinas especiales antes de soldarlos. Así, cuando la temperatura sube, los rieles tienen espacio para expandirse sin causar problemas. Este proceso se llama "neutralización de tensiones".
Por ejemplo, si un riel de 288 metros se instala a 10 °C en un lugar donde la temperatura media es de 20 °C, el riel se estira unos 3.45 centímetros antes de soldarlo. Esto le da espacio para expandirse cuando la temperatura suba.
Diseño de Grandes Puentes
En puentes muy largos, especialmente los de acero, la dilatación térmica es un factor clave. Un puente de acero de 1000 metros de largo, en una zona donde la temperatura puede variar 50 °C (por ejemplo, de -10 °C a 40 °C), podría cambiar su longitud en unos 60 centímetros. Para manejar este cambio, los puentes tienen "juntas de dilatación". Estas son como espacios o ranuras especiales que permiten que el puente se expanda y contraiga sin dañarse. Es interesante saber que el acero y el hormigón, materiales comunes en puentes, tienen coeficientes de dilatación muy parecidos.
Péndulos de Relojes de Precisión
Algunos relojes antiguos de péndulo muy precisos, como el "péndulo de parrilla", usan un diseño inteligente para evitar que los cambios de temperatura afecten su funcionamiento. El péndulo está hecho con diferentes materiales que se dilatan de forma opuesta. Así, cuando una parte se expande, otra se contrae, manteniendo la longitud total del péndulo constante. Esto asegura que el reloj marque la hora con exactitud, sin importar si hace frío o calor.
Dispositivos Termostáticos Mecánicos
Muchos aparatos usan la dilatación térmica para controlar la temperatura. Por ejemplo, los termostatos de los tostadores de pan o los motores de los coches. Estos dispositivos tienen piezas hechas de materiales que se doblan o se mueven de una forma específica cuando la temperatura cambia. Esto les permite abrir o cerrar circuitos, o regular el flujo de líquidos, para mantener una temperatura deseada. Los grifos termostáticos, por ejemplo, mezclan agua fría y caliente para que siempre salga a la misma temperatura.
Valores del Coeficiente de Dilatación Lineal
Aquí tienes algunos valores de coeficientes de dilatación lineal para diferentes materiales. Estos valores son aproximados y pueden variar un poco. Se expresan en unidades de 10-6 °C-1, lo que significa que el material se expande esa cantidad por cada millón de su longitud original por cada grado Celsius que sube la temperatura.
| Material | α (10-6 °C-1) | Material | α (10-6 °C-1) | Material | α (10-6 °C-1) | Material | α (10-6 °C-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Hormigón | 8 a 12 | Acero | 11.5 | Hierro | 12 | Plata | 19 |
| Oro | 14 | Invar | 0,4 | Plomo | 30 | Zinc | 30 |
| Aluminio | 23 | Latón | 18 | Cobre | 17 | Vidrio | 7 a 9 |
| Cuarzo | 0,4 | Hielo | 51 | Diamante | 1,2 | Grafito | 8 |
| Fibra de carbono | –0.8 | PP | 150 | PVC | 52 | Acero inoxidable | 10.1 ~ 17.3 |
Galería de imágenes
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Cambio de longitud de una varilla por expansión térmica.
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El efecto de sobretensión por dilatación térmica de los carriles soldados de las vías del ferrocarril causó 190 descarrilamientos de trenes entre 1998–2002 solamente en los Estados Unidos.
Véase también
En inglés: 