Coeficiente de dilatación térmica

En esta entrada estudiaremos qué es el coeficiente de dilatación o expansión térmica y dónde tenemos que tener en cuenta este valor.

De todos es sabido que, en general, los sólidos aumentan de volumen cuando se incrementa su temperatura, y disminuyen cuando esta desciende. El motivo se debe a la movimiento de los átomos que componen el cuerpo sólido, que vibran con mayor o menor amplitud al incrementarse o descender su energía por efecto del calor.

Dilatación térmica lineal

Si tomamos en un laboratorio una pieza alargada de un material, por ejemplo una varilla de acero, medimos su longitud a una determinada temperatura, la calentamos y medimos de nuevo su longitud, la relación entre estas dos mediciones de temperatura y longitud nos proporciona el coeficiente de dilatación térmica de dicho material α, en este caso 1.1 x 10-5 oC-1.

(Timoshenko. Resistencia de materiales)

En nuestro caso, disponemos de los coeficientes de dilatación de los distintos materiales obtenidos de modo experimental y lo que nos interesa es conocer las longitudes inicial y final en función de dos valores de temperatura extrema, lo que se consigue con la siguiente fórmula:

Lf  = Li (1 + α · ΔT)

Donde:

α=coeficiente de dilatación lineal [°C-1]

Li = Longitud inicial

Lf = Longitud final

ΔT = Temperatura final – Temperatura inicial

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Dilatación térmica superficial

Si en las dimensiones del elemento que nos interesa estudiar preponderan el largo y ancho sobre la longitud o espesor, la fórmula vuelve a ser la misma cambiando las longitudes por superficies y el coeficiente de dilatación térmica lineal α por el coeficiente de dilatación superficial β que no es más que β = 2·α, quedando la fórmula de este modo:

Sf  = Si (1 + β · ΔT)

Dilatación volumétrica

Para cuerpos predominantemente volumétricos ocurre exactamente igual, siendo en este caso el coeficiente de dilatación volumétrica γ = 3·α y la fórmula:

Vf  = Vi (1 + γ · ΔT)

Solo necesitamos saber qué coeficiente de dilatación térmica tiene el elemento que queremos estudiar para conocer qué cambio de volumen tendremos a determinadas temperaturas. He aquí algunos de ellos:

Hormigón: entre 0,8-1,2 x 10-5 oC-1

Aluminio: 2,4 x 10-5 oC-1

Cobre: 1,7 x 10-5 oC-1

Acero: 1,2 x 10-5 oC-1

Vidrio: entre 0,5-9,0 x 10-6 oC-1

Utilidad

Sería lógico pensar que en los nuevos diseños arquitectónicos la disposición y geometría de las juntas de dilatación se considerara como elemento coeficiente de dilatación o expansión térmicaimportante del proyecto, ya que, como suele decirse vulgarmente, estos problemas “tienen mal arreglo”. Pero parece que no es así en la práctica. La fuerza de la dilatación es difícilmente controlable por fijación o confinación y suele producir daños estéticos, funcionales o incluso estructurales.

Por ello, en elementos constructivos de grandes dimensiones es conveniente determinar qué incremento de longitud superficie o volumen puede producirse entre las dos temperaturas extremas posibles, teniendo en cuenta que los elementos soleados alcanzan temperaturas muy por encima de la ambiental. Igualmente, en el momento del montaje tendremos una dimensión acorde a la climatología. Otro factor importante es la climatización interior de los edificios, especialmente en las superficies acristaladas. Las fichas técnicas deben informarnos de los coeficientes de dilatación del material que pretendemos utilizar y actuar en consecuencia en el diseño y ejecución de las juntas de dilatación.

Si quieres saber cómo influyen estas juntas en un embaldosado o pavimento accede aquí.

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Fotografía integrada: Autor Ch nch en http://commons.wikimedia.org bajo licencia Creative Commoms.