Dilatación

Dilatación; Qué es la dilatación y sus tipos.

Llamamos dilatación al cambio de dimensiones que experimentan los sólidos, líquidos y gases cuando se varía la temperatura, permaneciendo la presión constante. La mayoría de los sistemas aumentan sus dimensiones cuando se aumenta la temperatura.

La dilatación es el cambio de cualquier dimensión lineal del sólido tal como su longitud, alto o ancho, que se produce al aumentar su temperatura. Generalmente se observa la dilatación lineal al tomar un trozo de material en forma de barra o alambre de pequeña sección, sometido a un cambio de temperatura, el aumento que experimentan las otras dimensiones son despreciables frente a la longitud.

El aumento de temperatura acompaña a un aumento en las dimensiones del cuerpo, y viceversa al disminuir la temperatura; Se conocen tres tipos de dilatación, dilatación lineal, cúbica y superficial. A continuación se describirán de forma breve cada uno de los tipos de dilatación, ejemplificando por medio de un gráfico realizado en GeoGebra, la dilatación lineal para un mejor entendimiento del tema.

Dilatación lineal

En un sólido las dimensiones son tres, pero si predomina sólo el largo sobre el ancho y el espesor o altura, como ser una varilla o un alambre, al exponerse a la acción del calor habrá un incremento en la longitud y no así en el ancho y espesor llamada dilatación lineal.

Se ha demostrado en un laboratorio de Física al utilizar varillas de igual longitud y de distintas sustancias (hierro, aluminio, cobre) que el incremento en su largo (ΔL) es diferente, dependiendo así de la naturaleza del material.

El Coeficiente de dilatación lineal (α) es el cociente entre la variación de longitud (ΔL) de una varilla y el producto de su longitud inicial (Li) por la variación de la temperatura (ΔT)

La fórmula para calcular el incremento de longitud quedaría de la siguiente forma: ΔL = α . Li . ΔT.  

Para el mejor entendimiento del tema, debajo se adjunta un applet el cual muestra un ejemplo de dilatación lineal de un tubo de aluminio, utilizando la fórmula dada en el párrafo anterior.

El ejemplo anterior muestra un tubo de aluminio en el cual f es la longitud inicial y h es la longitud final, al mover el deslizador que se encuentra en la parte superior, el cal representa la temperatura, podemos observar cómo el tubo se dilata y se desplaza hacia la derecha de forma lineal.

A continuación, como dato les dejaré una tabla con distintos coeficientes de dilatación de algunos materiales, para que con ayuda de eso puedan realizar ejercicios a su gusto y practicar la teoría expuesta en esta publicación.

Dilatación Superficial

Ahora en un sólido, cuando las dimensiones predominantes son el largo y el ancho sobre el espesor o altura, como ser una chapa o una lámina, al exponerse a la acción del calor habrá un incremento o variación en la superficie (ΔS) y no así en el espesor llamada dilatación superficial. Para calcular la superficie final (Sf) de un sólido plano, la fórmula será:

Sf  = Si .(1 + β . ΔT)

El coeficiente de dilatación superficial ( β ) resultará de ser el doble del valor del coeficiente de dilatación lineal (α) para cada una de las sustancias, porque al tratarse de dos dimensiones largo y ancho, el cálculo es:

β = 2 . α

Dilatación Cúbica

En los sólidos, cuando predominan sus tres dimensiones como el largo, ancho y altura, siendo un prisma, una esfera, un cubo, etc, al exponerse a la acción del calor habrá un incremento o variación en el volumen (ΔV) se denomina dilatación cúbica o volumétrica. Para calcular el volumen final (Vf) en un sólido la fórmula será:

Vf  = Vi .(1 + γ . ΔT)

El coeficiente de dilatación cúbica ( γ ) resulta al ser el triple del valor del coeficiente de dilatación lineal (α) para cada una de las sustancias, porque al tratarse de tres dimensiones largo, ancho y altura, el cálculo es:

γ = 3 . α