Expansión térmica: qué es, definición, coeficiente y efectos prácticos

Descubre la expansión térmica: definición, coeficiente y efectos prácticos; cómo afecta materiales, termómetros y raíles, con ejemplos y soluciones aplicables.

En física, la expansión térmica es la propiedad de la materia por la que su volumen y dimensiones cambian al variar la temperatura. Cuando una sustancia se calienta, sus partículas básicas se desplazan con mayor energía y, en promedio, mantienen una mayor separación, lo que produce aumento de tamaño. Algunos materiales muestran comportamiento contrario (contracción al aumentar la temperatura) pero estos casos son raros y suelen ocurrir sólo en rangos de temperatura limitados. El grado de dilatación dividido por el cambio de temperatura define el coeficiente de dilatación térmica del material, que normalmente depende de la temperatura y puede variar con la dirección en materiales anisótropos.

Coeficientes y fórmulas básicas

Se distinguen principalmente dos coeficientes:

• Coeficiente lineal (α): relaciona el cambio de longitud con la temperatura. Para una barra de longitud inicial L0, el incremento aproximado es ΔL = α · L0 · ΔT.
• Coeficiente volumétrico (β o αV): relaciona el cambio de volumen con la temperatura. Para un cuerpo de volumen inicial V0, ΔV = β · V0 · ΔT. Para materiales isotrópicos sólidos suele cumplirse β ≈ 3α.

Las unidades habituales de α y β son K⁻¹ (o °C⁻¹, que es equivalente para diferencias de temperatura). En gases ideales, a presión constante, la expansión volumétrica obedece aproximadamente a la ley de los gases ideales: V ∝ T (en K), por lo que β = 1/T (K⁻¹).

Dependencia y valores típicos

Los coeficientes dependen de la temperatura y de la estructura del material. Algunos valores orientativos a temperatura ambiente:

• Acero: α ≈ 10–13 × 10⁻⁶ K⁻¹ (≈ 11–13 × 10⁻⁶ K⁻¹ para acero común).
• Aluminio: α ≈ 23 × 10⁻⁶ K⁻¹.
• Cobre: α ≈ 16.5 × 10⁻⁶ K⁻¹.
• Vidrio: α ≈ 3–9 × 10⁻⁶ K⁻¹ (varía según el tipo).
• Concreto: α ≈ 7–12 × 10⁻⁶ K⁻¹.
• Polímeros: suelen ser más altos, típicamente 50–200 × 10⁻⁶ K⁻¹.
• Materiales de baja dilatación (ej. Invar): α ≈ 1–2 × 10⁻⁶ K⁻¹.

Un caso notable es el comportamiento anómalo del agua: entre 0 °C y 4 °C el agua se contrae al calentarse hasta 4 °C y luego se dilata, lo que tiene consecuencias importantes en fenómenos naturales como la estratificación de lagos en invierno.

Efectos mecánicos y térmicos

Si la expansión está restringida, aparecen esfuerzos térmicos. Para una barra totalmente impedida de alargarse, la tensión aproximada desarrollada es σ = E · α · ΔT, donde E es el módulo de Young. Estas tensiones pueden causar deformaciones permanentes, fisuración o fallo por fatiga en estructuras si no se consideran en el diseño.

Aplicaciones prácticas

• Los termómetros de líquido (mercurio o alcohol coloreado) aprovechan que el volumen del líquido cambia con la temperatura y obliga al líquido a subir o bajar por un tubo capilar.
• Térmostatos y relojes usan tiras bimetálicas: dos metales con α distintos unidos entre sí se curvan al calentarse y pueden accionar interruptores o mecanismos.
• En electrónica, la diferencia de coeficientes de expansión térmica (CTE) entre materiales puede provocar fallos en soldaduras o en el material de montaje (por ejemplo, en placas de circuito impreso).
• En ingeniería civil y ferroviaria se diseñan juntas de dilatación en puentes, vías y tuberías para permitir movimientos sin provocar daños. En vías férreas existen distintas estrategias: raíles con juntas, carriles soldados en continuo pero instalados a una temperatura "neutral", y sistemas de monitoreo de la tensión en los raíles.

Expansión térmica en raíles (ejemplo práctico)

La dilatación térmica puede convertirse en un problema para los trenes porque los raíles se alargan con el calor y, si no tienen espacio para moverse, pueden deformarse o "pandear" (buckle). Además de los monitores y avisos para que, en condiciones de temperatura anormalmente alta, se reduzca la velocidad y se minimice el calentamiento por fricción, se utilizan otras medidas:

• Juntas de dilatación o diseño de carril soldado en continuo con control de la temperatura de instalación.
• Elección de una "temperatura neutra" de instalación que minimice la probabilidad de pandeo en condiciones locales habituales.
• A veces se pintan partes del carril de blanco para reducir la absorción de radiación solar y bajar la temperatura superficial, aunque esto es una medida complementaria de pequeño efecto.

Materiales con expansión negativa y control

Existen materiales con coeficiente de expansión térmica negativo en ciertos intervalos (se contraen al calentarse) y aleaciones diseñadas para tener coeficientes muy bajos (por ejemplo, Invar). Estas propiedades se aprovechan en instrumentos de precisión, componentes ópticos y estructuras donde la estabilidad dimensional con la temperatura es crítica.

Resumen

La expansión térmica es un fenómeno fundamental en física y en ingeniería que afecta a casi todos los materiales. Su conocimiento permite diseñar dispositivos (termómetros, bimetales), estructuras seguras (juntas de dilatación, control de tensiones), y seleccionar materiales adecuados para aplicaciones que requieran estabilidad dimensional.

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