Dilatación térmica
Se llama dilatación térmica al aumento de longitud, superficie o volumen que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura por cualquier medio.
La dilatación lineal es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, es decir, en el ancho o en 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 del calentamiento: Donde
es el incremento de la dimensión considerada cuando se aplica un pequeño cambio global y uniforme de temperatura
La longitud final de la dimensión lineal que se considere resulta aproximadamente:
Para medirla, se emplea el coeficiente de dilatación volumétrico o coeficiente de dilatación cúbica, designado por αV.
Experimentalmente se puede medir comparando el 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.
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, para incrementos de temperatura pequeños,
, es decir, el coeficiente de dilatación volumétrico es numéricamente unas 3 veces el coeficiente de dilatación lineal de una barra del mismo material.
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.
Este coeficiente se representa con la letra griega gamma (γ).
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: 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 y la amplitud del movimiento dentro de dicho pozo dependerá de la energía total del átomo o molécula.
Al absorber calor, la energía cinética promedio de las moléculas aumenta y, con ella, también la amplitud media del movimiento vibratorio (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.
