Coeficiente de dilatación térmica

Coeficiente de dilatación térmica

El coeficiente de dilatación térmica cuantifica la magnitud del cambio de tamaño que se produce en un material en función de la temperatura. Mide el cambio dimensional por grado de temperatura, normalmente registrado en por °C (°C-¹) o por Kelvin (K-¹), y es una propiedad clave del material utilizada en la predicción de la respuesta del material en entornos calentados y enfriados. Aunque existe un método matemático para describir el CET, el principio básico es bastante sencillo: los materiales se dilatan al calentarse y se contraen al enfriarse; sin embargo, el grado de dilatación depende de la estructura atómica, el tipo de enlace y la microestructura.

Factores que afectan a la expansión térmica

1. Composición de los materiales

Dependiendo de su enlace, las clases de materiales tienen respuestas de dilatación térmica bastante diferentes.

• Metales: Suelen presentar valores de CET más elevados ya que, en los enlaces metálicos, los átomos pueden vibrar más libremente (por ejemplo, el aluminio ≈ 23 × 10-⁶ °C-¹).
• Cerámica: Debido a la rigidez de los enlaces iónicos/covalentes, tienen un CET bajo. La sílice fundida, por ejemplo, tiene un CET ≈ 0,5 × 10-⁶ °C-¹.
• Polímeros: muy a menudo tienen valores no lineales muy altos de CET, como el polietileno ≈ 100 × 10-⁶ °C-¹.

• Materiales compuestos: Su CET depende de la combinación fibra/matriz; los compuestos de fibra de carbono pueden incluso realizar una dilatación térmica cercana a cero.

2. Rango de temperaturas

El CET no es necesariamente constante. Muchos materiales presentan:

- Comportamiento lineal dentro de un rango moderado de temperaturas

- Expansión no lineal alrededor de transiciones de fase o altas temperaturas

El acero, por ejemplo, tiene un CET aproximadamente lineal en el rango de 20 a 100°C, pero sus índices de expansión aumentan a medida que sube la temperatura con una mayor proximidad a su punto de recristalización.

3. Anisotropía estructural

Si un material es anisótropo, experimentará una expansión desigual a lo largo de diferentes ejes.

- La madera se expande mucho a lo largo del grano, pero muy poco a lo ancho.

4. Tensiones externas y residuales

Las tensiones internas pueden ser introducidas por procesos de fabricación como la soldadura, el mecanizado y el trabajo en frío. Dichas tensiones pueden aumentar u oponerse al comportamiento de expansión natural y alterar en consecuencia el CET efectivo.

5. Exposición ambiental

El CET puede variar sutilmente con el tiempo debido a la humedad absorbida, la oxidación y otras interacciones químicas. De hecho, muchos polímeros absorben humedad y se hinchan, lo que afecta a las características de expansión térmica.

Tipos de expansión térmica

Generalmente, hay tres tipos de expansión térmica, dependiendo del cambio dimensional que se esté describiendo.

1. Expansión térmica lineal

Es el cambio de longitud de un material con la temperatura.

La mayoría de los materiales de ingeniería -metales, polímeros y componentes estructurales- se evalúan en términos de CTE lineal.

Una barra de aluminio de 1 metro de largoCTE ≈ 23 × 10-⁶ °C-¹ se expandirá unos 23 micrómetros si se calienta 1°C.

2. Expansión térmica del área (bidimensional)

Algunas aplicaciones -películas, revestimientos, membranas- requieren comprender cómo se expande el área superficial.

Para un material isótropo, la expansión del área es aproximadamente el doble del CTE lineal.

Las placas metálicas de los intercambiadores de calor sufrirán una expansión bidimensional, que puede afectar a la precarga del sellado/perno de la junta.

3. Expansión térmica volumétrica

Describe la expansión tridimensional en volumen. Se utiliza para fluidos, cerámica y componentes de fundición.

Los grandes cambios volumétricos caracterizan a los polímeros y también a los compuestos de matriz polimérica, lo que afecta al diseño de moldes durante la fabricación de plásticos.

Aplicaciones de la ingeniería de la expansión térmica

1. Ingeniería estructural y civil

Las grandes estructuras dependen de un factor de diseño crítico: la dilatación térmica.

- Las juntas de dilatación de los puentes se diseñan para absorber estos desplazamientos de varios centímetros en función de los cambios estacionales de temperatura.

- Los pavimentos de hormigón se espacian con juntas de dilatación para evitar el pandeo durante el calor del verano.

- Los rascacielos pueden diferir entre varios milímetros y centímetros en su altura debido a los ciclos térmicos diarios.

2. Aeronaves y naves espaciales

Los aviones y las naves espaciales suelen estar sometidos a gradientes térmicos extremos:

• Las palas de turbina de los motores a reacción funcionan a temperaturas superiores a 1.000°C y deben utilizar superaleaciones a base de níquel con un CET muy controlado para evitar el agrietamiento.
• Los componentes ópticos de los satélites suelen fabricarse con aleaciones de baja dilatación, como Invar, o con materiales cerámicos para mantener la estabilidad dimensional en órbita.

3. Electrónica y semiconductores

El desajuste del CET entre los componentes es una fuente potencial de fatiga de las soldaduras y de fallo de los dispositivos:

- Los compuestos de fibra de vidrio diseñados para adaptarse a la expansión del cobre se utilizan en las placas de circuito impreso (PCB) para mejorar la fiabilidad.

4. Energía y maquinaria industrial

La dilatación térmica afecta:

Por ejemplo, en intercambiadores de calor y calderas, donde los tubos metálicos se dilatan durante los ciclos de activación.

Carcasas de turbinas: holguras controladas

Gasoductos que están diseñados para flexionarse con las estaciones.

5. Óptica de precisión e instrumentos científicos

Los materiales de expansión ultrabaja incluyen el vidrio ULE y la sílice fundida, que se utilizan en bancos ópticos, telescopios y sistemas de metrología en los que se requiere una precisión de hasta escalas nanométricas.

Expansión térmica de materiales comunes

La siguiente tabla ofrece ejemplos de diversos materiales y sus respectivos coeficientes de dilatación térmica:

Expansión térmica de los metales comunes

Preguntas más frecuentes

¿Qué importancia tiene el coeficiente de dilatación térmica en ingeniería?

El coeficiente de dilatación térmica es crucial en ingeniería para diseñar estructuras y componentes que puedan soportar cambios de temperatura sin experimentar tensiones o deformaciones excesivas. Garantiza la integridad y longevidad de los materiales utilizados en diversas aplicaciones.

¿Cómo se mide el CET?

Suele hacerse mediante dilatometría, en la que el cambio de dimensión se registra continuamente bajo calentamiento o enfriamiento controlados.

¿Afecta la pureza al CET?

Sí. Las adiciones de aleación, las impurezas y el contenido de defectos pueden provocar cambios significativos en el CET. Algunos ejemplos son las aleaciones Invar, en las que la adición de Ni ajusta con precisión la expansión térmica.