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Dilatación térmica

Se le llama dilatación al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura por cualquier medio. Por otro lado, la contracción térmica es la disminución de dimensiones métricas por disminución de la temperatura.

Cuando un cuerpo recibe calor, sus partículas se mueven más deprisa, por lo que necesitan más espacio para desplazarse y, por tanto, el volumen del cuerpo aumenta. A este aumento de volumen se le llama dilatación.

Causa de la dilatación

En un sólido las moléculas tienen una posición razonablemente fija dentro de él. Cada átomo de la red cristalina vibra sometido a una fuerza asociada a un pozo de potencial, la amplitud del movimiento dentro de dicho pozo dependerá de la energía total de átomo o molécula. Al absorber calor, 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.

La dilatación térmica es el proceso mediante el cual se calienta un cuerpo sólido, la energía cinética de sus átomos aumenta de tal modo que las distancias entre las moléculas crecen, expandiéndose así el cuerpo, o contrayéndose si es enfriado. Estas expansiones y contracciones son, por tanto, causadas por variación de temperatura en el medio que le rodea. La temperatura es una magnitud asociada con la sensación de lo frío y caliente. Por lo general, un objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor. Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico. El calor es el proceso mediante el cual se transmite energía de un cuerpo de mayor temperatura a otro cuerpo de menor temperatura.

Dilatación de sólidos

Cuando se calienta un sólido, se dilatan sus tres dimensiones. Si tiene forma de varilla, su longitud aumenta y se dice que ha experimentado una dilatación lineal.

Dilatación lineal

La Dilatación Lineal es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, es decir, en el ancho, o altura del cuerpo. El coeficiente de dilatación para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después:


Donde ΔL , es el incremento de su integridad física cuando se aplica un pequeño cambio global y uniforme de temperatura ΔT a todo el cuerpo. El cambio total de longitud de la dimensión lineal que se considere.


Dilatación cúbica

Es el coeficiente de dilatación volumétrico, designado por αV, se mide experimentalmente comparando el valor del volumen total de un cuerpo antes y después de cierto cambio de temperatura, y se encuentra que en primera aproximación viene dado por:


Experimentalmente se encuentra que un sólido isótropo tiene un coeficiente de dilatación volumétrico que es aproximadamente tres veces el coeficiente de dilatación lineal. Esto puede probarse a partir de la teoría de la elasticidad lineal. Por ejemplo si se considera un pequeño prisma rectangular (de dimensiones: Lx, Ly y Lz), y se somete a un incremento uniforme de temperatura, el cambio de volumen vendrá dado por el cambio de dimensiones lineales en cada dirección:


Esta última relación prueba que  , es decir, el coeficiente de dilatación volumétrico es numéricamente unas 3 veces el coeficiente de dilatación lineal de una barra del mismo material.

Dilatación de área o superficial

Cuando un área o 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 de área es el incremento de área que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de área igual a la unidad, al elevarse su temperatura un °C. Este coeficiente se representa con la letra griega gamma (γ). 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:

Al conocer el coeficiente de dilatación de área de un cuerpo sólido se puede calcular el área final que tendrá al variar su temperatura con la siguiente expresión:


Dilatación de liquidos

Cuando los liquidos se calientan es más difícil medir el cambio de volumen que experimentan que en los sólidos, porque a la vez que el líquido se dilata el recipiente que lo contiene.
Los líquidos tienen mayores coeficientes de dilatación que los sólidos, aunque no son constantes: varían con la temperatura. El mercurio es el liquido con coeficiente de dilatación más constante; por eso se utiliza en los termômetros.
El agua es un líquido que se comporta de manera andmala en la dilatación. Entre 0 y 4ºC, el agua liquida, en vez de aumentar su volumen, se contrae. La consecuencia de esta contracción de volumen es un aumento de la densidad. La densidad del agua es máxima a 4°C

La dilatación anómala del agua

El hecho de que el agua no siga la conducta de los demás cuerpos, en lo que a la dilatación se refiere, es providencial para la vida marina en las zonas árticas. Si el hielo fuera más denso que el agua, en el momento en que se formaran cristales de hielo, estos irían al fondo del mar, quedando en contacto con la atmósfera otra capa de agua, repitiéndose el proceso indefinidamente hasta que toda el agua del mar quedara congelada. Sin embargo, el agua líquida es más densa que el hielo, quedando este en la superficie y sirviendo de capa protectora al agua que se encuentra por debajo, impidiendo que esta se congele.
En todo caso, el agua que se encuentra en contacto con el hielo estará a una temperatura de 0 °C, demasiado baja para permitir la vida marina.
Más abajo, el agua a 4 °C presenta mayor densidad que a 0 °C, por lo que el agua del fondo estará más caliente que la que se encuentra en contacto con el hielo.
Esta pequeña diferencia de 4 °C es la que hace posible que en los mares árticos pueda haber vida marina.

Dilatación de gases

Cuando aumenta la temperatura de un gas, pueden producirse dos fenómenos

  • Si la presión ne varía, el volumen del gas aumenta. La energia comunicada al gas se emplea en aumentar la energia cinética de las moléculas y el volumen aumenta de forma proporcional al increments de temperatura.
  • Si el volumen no varía, la presión del gas aumenta, no se produce una verdadera dilatación, ya que no hay cambio de volumen.  
Junta de dilatación en vía de tren Junta de dilatación en vía de tren
Detalle de un junta de dilatación de una vía de tren los orificios de la placa que une los dos tramos de via no son redondos sino que tienen una pequeña holgura que permite el desplazamiento relativo del carril.



Juntas de dilatación en puentes Juntas de dilatación en puentes
Algunos tipos de puentes modernos están construidos con planchas separadas de hierro o de hormigón. Estas planchas son sometidas a variaciones de temperatura que provocan en ellas una considerable dilatación superficial. En la figura se aprecia un detalle esquemático de una junta de dilatación análoga a la de los raíles de un tren. Los rodillos representados en gris sirven para que se pueda deslizar con facilidad una plancha sobre otra.



DILATACIÓN LINEAL DILATACIÓN LINEAL
Se produce cuando predomina una dimensión frente a las otras dos. Ejemplos de cuerpos que se dilatan linealmente son: varillas, alhambres, barras.



DILATACIÓN SUPERFICIAL DILATACIÓN SUPERFICIAL
Se produce cuando predominan dos dimensiones (una superficie) frente a una tercera. Ejemplos de cuerpos que se dilatan superficialmente son: láminas, planchas.



DILATACIÓN VOLUMÉTRICA DILATACIÓN VOLUMÉTRICA
Se produce cuando las tres dimensiones del cuerpo son igualmente relevantes. Ejemplos de cuerpos que se dilatan de modo volumétrico son las estatuas de los jardines .



DILATACIÓN DE GASES DILATACIÓN DE GASES
El efecto de la dilatación en los gases es el más evidente de todos. Los gases varian de forma clara su volumen tanto con la temperatura como con la presión debido a que las fuerzas de cohesión entre las partículas son más debiles que en los casos anteriores.