Dilatación Térmica

La dilatación térmica es el proceso por el cual los cuerpos aumentan su volumen debido a su temperatura. Afecta a todos los estados de agregación de la materia. En este apartado veremos:

• El concepto de dilatación y contracción térmica
• La dilatación en los sólidos
• La dilatación en los líquidos
• La dilatación en los gases

¿Por qué se dilatan los cuerpos?

Cuando un cuerpo aumenta su temperatura, las partículas se mueven más deprisa, por lo que necesitan más espacio para desplazarse. Es por ello que el cuerpo necesita aumentar su volumen.

Cuando en lugar de aumentar, la temperatura disminuye, el volumen del cuerpo también lo hace, hablándose en estos casos de contracción térmica.

Estos fenómenos son especialmente importantes a la hora de fabricar determinadas estructuras como por ejemplo las vías de tren. Las industrias que fabrican los rieles los entregan con una longitud de unos 12 m. Es necesario unirlos (generalmente abulonados) para formar las vías. Durante el día la temperatura ambiente que pueden llegar a soportar ronda entorno a los 40° e incluso el acero puede alcanzar una temperatura muy superior. Dicha temperatura provoca dilataciones en las vías favoreciendo que en las uniones se provoquen deformaciones. Por esta razón,  justamente en dichas uniones se deja una separación de unos 5 mm denominado junta de dilatación. 

El problema de esta separación es que es incompatible con el desplazamiento de los trenes de alta velocidad (250 km/h) ya que generan mucho ruido al circular el tren por ellas y las ruedas y rieles sufrirían roturas. La tecnología moderna ha logrado soldaduras especiales que absorben las dilataciones, por lo tanto hay tramos de muchos kilómetros (varias decenas) sin separaciones aunque en las cercanías de las estaciones de ferrocarril se siguen utilizando ya que por esas zonas los trenes deben disminuir mucho su velocidad.

Dilatación de sólidos

De entre los estados de agregación de la materia estudiados, el estado sólido es el que tiene las fuerzas de cohesión más fuertes, por lo que resulta más dificil observar la dilatación que en líquidos y gases. En función del número de dimensiones que predominan en el cuerpo, podemos distinguir tres casos:

1. Dilatación lineal
2. Dilatación superficial
3. Dilatación volumétrica

Dilatación lineal

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

Observa que, aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin, por comodidad también se usa el ºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación lineal λ se expresa en ºC^-1, aunque su valor es el mismo

Valores típicos del coeficiente de dilatación

El coeficiente de dilatación en el caso de los líquidos suele mantenerse constante para cambios de temperatura ∆T menores de 100 grados. Algunos valores típicos para el coeficiente de dilatación lineal son:

Dilatación superficial

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

La relación entre el coeficiente de dilatación lineal λ y el coeficiente de dilatación superficial σ es $\sigma =2·\lambda$ .

Observa que, aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin, por comodidad también se usa el ºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación superficial σ se expresa en ºC^-1, aunque su valor es el mismo.

Dilatación volumétrica o cúbica

Se produce cuando las tres dimensiones del cuerpo son igualmente relevantes.  Ejemplos de cuerpos que se dilatan de modo volumétrico son: los dados del parchís, o las estatuas de los jardines ...

La relación entre el coeficiente de dilatanción lineal λ y el coeficiente de dilatación volumétrico γ es $\gamma =3·\lambda$ 

Observa que, aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin, por comodidad también se usa el ºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación volumétrico γ se expresa en ºC^-1, aunque su valor es el mismo.

Dilatación de líquidos

El efecto de la dilatación en los líquidos es más evidente que en los sólidos: al encontrarse sus moléculas con más libertad para moverse, el volumen que ocupa cada una aumenta más facilmente con la temperatura, por lo que también lo hace el volumen del líquido en su conjunto. Su expresión es similar a la dilatación volumétrica de los sólidos.

Observa que, aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin K, por comodidad también se usa el grado centígrado ºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación del líquido α se expresa en ºC^-1, aunque su valor es el mismo.

Ten muy presente que cuando queremos medir la dilatación en un líquido, hemos de tener en cuenta que el recipiente sólido en el que lo colocamos también se dilata.

Valores típicos del coeficiente de dilatación

El coeficiente de dilatación en el caso de los líquidos suele variar con la temperatura de forma más pronunciada a lo que ocurre en los sólidos. A continuación se recogen algunos valores típicos del coeficiente de dilatación α para líquidos a una temperatura de 20 ºC. Observa que son sensiblemente superiores al caso de los sólidos. Esto implica que la dilatación en los líquidos es más evidente que en los sólidos para un mismo material y un mismo cambio de temperatura.

Dilatación anómala del agua

Algunos líquidos se comportan de manera anómala en ciertos intervalos de temperatura y presión, aumentando su volumen cuando disminuye su temperatura y viceversa. Es el caso del agua a 1 atm de presión y en el intervalo de 0 ºC a 4 ºC. Este comportamiento es muy importante para que pueda existir la vida.

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. Su expresión es similar a la dilatación volumétrica de los sólidos.

Observa que, aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvín, por comodidad también se usa el ºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación del gas α se expresa en ºC^-1, aunque su valor es el mismo.

Observa también que el coeficiente de dilatación α_p es igual para todos los gases que se encuentran a una determinada presión. Por otro lado, el volumen V de un gas es 0 a una temperatura T de -273 ºC (0 K o cero absoluto). Este comportamiente permite dibujar las siguientes lineas que representan el volumen de cualquier gas a una determinada presión.

Finalmente, si conoces el volumen inicial del gas a 0 ºC, V₀ , el coeficiente de dilatación de cualquier gas viene dado por: 

$${\alpha }_p=\frac{1}{273.15} ºC^{-1}$$ 

Comprobación

La ecuación general de los gases establece que el producto de la presión P por el volumen V que ocupa el gas se relaciona con la temperatura T según:

$$P·V=n·R·T$$ 

Donde n es el número de moles del gas y R es una constante de valor 0.982 atm·L / K·mol.

Si consideramos un gas a presión constante  sometido a dos temperaturas T₀ y T₁ distintas, ocupara dos volúmenes distintos, V₀ y V₁. Dado que la presión es constante, P₁ = P₂ = P  y podemos escribir:

$$\begin{gathered} P·V_0=n·R·T_0 \\ P·V_1=n·R·T_1 \end{gathered}$$ 

Por tanto, la diferencia entre ambas expresiones nos permite llegar al resultado buscado:

$$\begin{gathered} P·V_1-P·V_0=n·R·(T_1-T_0)\Rightarrow P·(V_1-V_0)=n·R·(T_1-T_0)\Rightarrow \\ \Rightarrow V_1-V_0=\frac{n·R}{P}·(∆T)\Rightarrow V_1=V_0+\frac{n·R}{P}·(∆T)=V_0·\left(1+\frac{n·R}{P·V_0}·(∆T)\right)\Rightarrow \\ \Rightarrow V_1\stackrel{\left[1\right]}{=}{V}_0·\left(1+\frac{\cancel{n·R}}{\cancel{n·R}·T_0}·(∆T)\right)=V_0·\left(1+\frac{1}{T_0}·(∆T)\right) \end{gathered}$$ 

$$\left[1\right] P·V_0=n·R·T_0$$ 

Finalmente, identificando la expresión anterior con la que habíamos dado para la dilatación volumétrica de los gases, $V=V_0·(1+{\alpha }_p·∆T)$  tenemos que α_p = 1/T₀ y, dado que habíamos dicho que T₀ = 273.15 ºC, α_p = 1/273.15 ºC^-1.