La expansión térmica es la tendencia de la materia a cambiar el volumen cuando se somete a un cambio de temperatura. Generalmente, los materiales se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían, aunque hay algunas excepciones notables. Este fenómeno afecta prácticamente a todos los objetos físicos, desde los componentes de microchip más pequeños hasta puentes masivos y vías ferroviarias.

La ciencia detrás de la expansión térmica

A nivel molecular, la expansión térmica se produce porque cuando se calienta un material, sus partículas (atómicos y moléculas) obtienen energía cinética y vibran más vigorosamente. Este aumento de movimiento hace aumentar la distancia media entre partículas. A medida que las partículas se alejan mutuamente, las dimensiones generales del aumento del material.

Las fuerzas intermoleculares entre partículas también desempeñan un papel clave. A medida que aumenta la temperatura, estas fuerzas se debilitan ligeramente, permitiendo una mayor separación entre moléculas. Para la mayoría de los materiales, la curva de energía potencial entre moléculas es asimétrica, lo que significa que la repulsión aumenta más agudamente a distancias cercanas que la atracción disminuye a distancias más grandes, lo que da lugar a una expansión neta.

Tipos de expansión térmica

La expansión térmica se manifiesta en tres formas principales:

Ampliación lineal:El cambio de longitud de un material. Se describe por el coeficiente de expansión lineal (α).
Ampliación de la zona:También se llama expansión superficial, se refiere al cambio en la superficie. Para materiales isotrópicos, el coeficiente de expansión del área es aproximadamente el doble del coeficiente lineal (2α).
Ampliación del volumen:También conocido como expansión cúbica, mide el cambio de volumen. Para materiales isotrópicos, el coeficiente de expansión volumétrica es aproximadamente tres veces el coeficiente lineal (3α).

Ampliación en diferentes estados de materia

Estado	Comportamiento de expansión	Explicación
Solids	Ampliar ligeramente	Las partículas se mantienen en posiciones fijas y sólo pueden vibrar. Las fuerzas entre ellas son fuertes, limitando la expansión.
Liquids	Ampliar más que sólidos	Las moléculas tienen más libertad para moverse manteniendo algunas fuerzas intermoleculares.
Gases	Ampliación significativa	Molecules se mueven libremente con fuerzas mínimas entre ellos, lo que conduce a una expansión sustancial con el aumento de temperatura.

Aplicaciones y desafíos de ingeniería

La expansión térmica tiene numerosas implicaciones de ingeniería:

Juntas de expansión:Puentes, edificios y oleoductos incorporan articulaciones de expansión para acomodar cambios dimensionales sin crear estrés o daño.
Tiras bimetállicas:Utilizados en termostatos y interruptores controlados por temperatura, estos dispositivos utilizan las diferentes tasas de expansión de dos metales unidos.
Rail tracks:Las gaps se dejan intencionadamente entre secciones de vías ferroviarias para prevenir el alboroto (sun kinks) durante el clima caliente.
El estrés térmico:Cuando la expansión se limita, el estrés térmico se desarrolla que puede llevar a la falla material si no se administra correctamente.
Instrumentos de precisión:Los instrumentos científicos que requieren alta precisión utilizan a menudo materiales de baja expansión como Invar (aleación de niquel-hierro).

La expansión anómala del agua

El agua exhibe propiedades de expansión térmica inusual. A diferencia de la mayoría de las sustancias, la densidad máxima del agua ocurre aproximadamente a 4°C (39.2°F). Cuando se enfría de temperatura ambiente, los contratos de agua como se espera hasta alcanzar los 4°C. Sin embargo, el enfriamiento adicional de 4°C a 0°C (su punto de congelación) hace que se expanda.

Esta propiedad anómala es crucial para los ecosistemas acuáticos. En invierno, cuando el agua superficial de los lagos se enfría a 4°C, se hunde (ser denser), creando un patrón de circulación. Una vez que el agua superficial se enfría por debajo de 4°C, se vuelve menos densa y permanece encima, eventualmente formando hielo que flota. Esta capa de hielo aísla el agua de abajo, permitiendo que la vida acuática sobreviva incluso en lagos congelados.

Coeficientes de expansión térmica

Los materiales varían ampliamente en sus propiedades de expansión. Por ejemplo:

PTFE (Teflon) tiene uno de los coeficientes más altos entre sólidos al 119 × 10−6/°C
La mayoría de los metales varían de 10-30 × 10−6/°C
Invar, especialmente diseñado para una baja expansión, tiene un coeficiente tan bajo como 0.6 × 10−6/°C
El cristal de cuarzo tiene un coeficiente excepcionalmente bajo de aproximadamente 0.4 × 10−6/°C

Estas diferencias en los coeficientes de expansión térmica se pueden explotar en varias aplicaciones, pero también presentan desafíos al unir materiales disimilares.

Mathematical Descripción

Ecuaciones clave de expansión térmica:

Ampliación lineal: ΔL = α × L₀ × ΔT
Ampliación de la zona: ΔA = 2α × A₀ × ΔT
Ampliación del volumen:ΔV = 3α × V0 × ΔT (para sólidos) o ΔV = β × V0 × ΔT (para líquidos)

Donde:

α = coeficiente de expansión lineal
β = coeficiente de expansión del volumen
L0, A0, V0 = longitud inicial, área y volumen
ΔT = cambio de temperatura

Concepto

Fórmula de expansión térmica

La expansión térmica es la tendencia de la materia a cambiar su forma, área y volumen en respuesta a un cambio de temperatura. La fórmula de expansión lineal calcula el cambio de longitud de un material.

Fórmula:

ΔL = α × L₀ × ΔT

Donde:

ΔL = Cambio de longitud (m)
α = Coeficiente de expansión lineal (1/°C)
L0 = Longitud inicial m)
ΔT = Cambio de temperatura (°C)

Pasos

Cómo calcular

Para calcular la expansión térmica, siga estos pasos:

1
Medir la longitud inicial del material
2
Determinar el coeficiente de expansión lineal para el material
3
Calcular el cambio de temperatura
4
Multiplicar todos los valores juntos para conseguir el cambio de longitud

Avances

Coeficientes comunes

Coeficientes comunes de expansión lineal (1/°C):

Aluminio: 23 × 10−6
Steel: 12 × 10−6
Cobre: 17 × 10−6
Vidrio: 9 × 10−6
Concreto: 12 × 10−6

Nota:

Los coeficientes pueden variar con la temperatura y la composición material. Los valores dados son a temperatura ambiente.

Ejemplos

Ejemplos prácticos

Ejemplo 1Aluminio Rod

Calcular el cambio de longitud de una barra de aluminio de 2 metros cuando se calienta de 20°C a 70°C.

L₀ = 2 m

α = 23 × 10⁻⁶ /°C

ΔT = 50°C

ΔL = 23 × 10⁻⁶ × 2 × 50 = 0.0023 m

Ejemplo 2Puente de acero

Calcular la expansión de un puente de acero de 100 metros cuando la temperatura cambia de -10°C a 40°C.

L₀ = 100 m

α = 12 × 10⁻⁶ /°C

ΔT = 50°C

ΔL = 12 × 10⁻⁶ × 100 × 50 = 0.06 m

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