Qué es el Coeficiente de Dilatación Térmica

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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.

Fotografía cabecera: Autor mzctranvia.org en http://commons.wikimedia.org bajo licencia GNU Free Documentation License.
Fotografía integrada: Autor Ch nch en http://commons.wikimedia.org bajo licencia Creative Commoms. 
2018-02-28T16:00:44+00:00 Categorias: Ciencia en general, Ensayos, Materiales|Etiquetas: , , |

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Autor:

Arquitecto Técnico y Perito Forense. Especialidad en Patología, Rehabilitación y Construcción (Procesos y Materiales).

5 Comentarios

  1. Juan A. Peña 12/09/2013 de 10:10

    ¿Sabías que las vias del tren estan formadas por piezas lineales de 200 metros en una sola pieza?

    A que si se aplica la fórmula, aparece un aumento de la longitud astronómico.

    • CSF 12/09/2013 de 11:53

      Hola Juan:

      Las vías de tren, como bien dices, se montan actualmente en tramos largos (soldados) de la longitud que indicas e incluso superior. Pero el raíl funciona como un empotramiento por las traviesas y el balasto que compensan la dilatación, de modo que solo se considera para el cálculo de la junta la dilatación de los últimos 10-15 metros como longitud además mayorada.

      Si calculásemos la dilatación de una barra de 200 metros debes tener en cuenta que esta se produce en las dos direcciones por lo que aplicarías la fórmula para 100 metros si deseas conocer el incremento de longitud en un extremo, que sería de cercano a los 5 centímetros para una diferencia de temperatura de 40 ºC. No obstante, como he comentado, no ocurre de este modo.

      En la fotografía de cabecera se aprecia una junta que en este caso no es motivo de la longitud. Se debe a que está tomada en el acceso a un puente metálico con una dilatación distinta a la del trazado. También se ubican juntas en los accesos a puentes de hormigón armado isostáticos, pero en este caso para compensar las tensiones por posibles movimientos del tablero.

      Gracias por el comentario.

  2. Juan A. Peña 12/09/2013 de 13:47

    Para evitar la dilatación y que la compresion haga que pandee las vias del tren al unirse unas con otras, la solucion empleada es muy simple, las vias se colocan a las traviesas cuando la temperatura ambiente es alta, o incluso existen procedimientos de caletamiento para elevar la temperatura del carril. Luego una vez colocadas, lo que sufre es contracción de manera que se evita el fenómeno de pandeo por compresion entre railes.

    El rail mueve la traviesa y esta se mueve sobre el árido inferior, el balasto solo funciona verticalmente. Es una capa de regulacion de deformaciones entre el suelo y las traviesas (vamos como una capa amortigüadora).

    El rail puede llegar a alcanzar temperaturas a 80ºC en verano, aunque la temperatura ambiente sea de 40ºC debido a la radiacion solar y a la capacidad térmica del acero. Puede llegar a los 200 mm por cada lado.

    Saludos,

    • CSF 12/09/2013 de 18:06

      Hola Juan:

      No soy ningún experto en ingeniería ferroviaria, pero toda publicación seria que he consultado trata el conjunto sub-balasto, balasto, traviesas, carriles y demás elementos como una superestructura cuyas características mecánicas disminuyen o impiden la dilatación de los carriles.
      ƒ

  3. vigilante callejero 20/10/2013 de 4:54

    Durante el tendido de las vías se tiene que tomar en cuenta las temperaturas que existen en esa región y poner las juntas de dilatación pertinentes para evitar que se formen golpes al paso de los convoyes ya que si se manejan altas velocidades se corre el riesgo de algún descarrilamiento

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