Coeficiente de expansion termica

fórmula del coeficiente de dilatación térmica

El COEFICIENTE DE EXPANSIÓN TÉRMICA LINEAL (CTE, a, o a1) es una propiedad de los materiales que indica el grado de expansión de un material al calentarse. Diferentes sustancias se expanden en diferentes cantidades. En rangos de temperatura pequeños, la expansión térmica de los objetos lineales uniformes es proporcional al cambio de temperatura. La dilatación térmica encuentra una aplicación útil en las tiras bimetálicas para la construcción de termómetros, pero puede generar una tensión interna perjudicial cuando se calienta una pieza estructural y se mantiene a una longitud constante.

Para una discusión más detallada de la expansión térmica, incluyendo la teoría y el efecto de la simetría del cristal, se remite al lector a la Serie de Datos del CINDAS sobre Propiedades de los Materiales, Volúmenes 1 a 4, Expansión Térmica de los Sólidos (Ref 1).

donde l0 y lf representan, respectivamente, las longitudes original y final con el cambio de temperatura de T0 aTf.    El parámetro a1 CTE y tiene unidades de temperatura recíproca (K-1) como µm/m – K o 10-6/K.

El coeficiente de dilatación térmica también suele definirse como el aumento fraccionario de la longitud por unidad de aumento de la temperatura. La definición exacta varía en función de si se especifica a una temperatura precisa (coeficiente de dilatación térmica verdadero o a) o en un intervalo de temperaturas (coeficiente de dilatación térmica medio o a). El coeficiente verdadero está relacionado con la pendiente de la tangente del gráfico de longitud frente a la temperatura, mientras que el coeficiente medio se rige por la pendiente de la cuerda entre dos puntos de la curva. Los valores del CTE pueden variar según la definición utilizada. Cuando a es constante a lo largo del intervalo de temperaturas, entonces a= a-bar. Los programas de análisis por elementos finitos (FEA) como NASTRAN (MSC Software) requieren que se introduzca a, no a-bar.

coeficiente de dilatación térmica del hormigón

Cuando se añade calor a la mayoría de los materiales, aumenta la amplitud media de la vibración de los átomos dentro del material. Esto, a su vez, aumenta la separación entre los átomos provocando la expansión del material. Si el material no sufre un cambio de fase, la dilatación puede relacionarse fácilmente con el cambio de temperatura. El coeficiente lineal de dilatación térmica (α) describe el cambio relativo de longitud de un material por cada grado de cambio de temperatura. Como se muestra en la siguiente ecuación, a es la relación entre el cambio de longitud (Δl) y la longitud inicial total (li) y el cambio de temperatura (ΔT).

Reordenando esta ecuación, se puede ver que si se conoce el coeficiente lineal de expansión térmica, se puede calcular el cambio de longitud de los componentes para cada grado de cambio de temperatura. Este efecto también funciona a la inversa. Es decir, si se elimina la energía de un material, la temperatura del objeto disminuirá, lo que hará que el objeto se contraiga.

La dilatación (y la contracción) térmica debe tenerse en cuenta cuando se diseñan productos con ajustes de estrecha tolerancia, ya que estas tolerancias cambiarán con los cambios de temperatura si los materiales utilizados en el diseño tienen diferentes coeficientes de dilatación térmica. También hay que tener en cuenta que la dilatación térmica puede provocar tensiones importantes en un componente si el diseño no permite la dilatación y contracción de los componentes. El fenómeno de la dilatación térmica puede suponer un reto a la hora de diseñar puentes, edificios, aviones y naves espaciales, pero puede tener usos beneficiosos. Por ejemplo, los termostatos y otros sensores sensibles al calor aprovechan la propiedad de la dilatación lineal.

coeficiente de emisividad

Los diferentes materiales tienen diferentes CET, lo que los hace adecuados para el uso particular para el que se seleccionan. Los materiales cerámicos tienen un CET muy bajo, mientras que los polímeros tienen un CET alto. En el caso de los metales, el invar, una popular aleación de hierro y níquel, es conocido por su muy bajo CET, que lo hace estable en amplios rangos de temperatura. Esta propiedad lo ha hecho útil en el desarrollo de instrumentos de calibración. El mercurio, por el contrario, es conocido por su elevado CET, que lo hace sensible en un amplio rango de temperaturas, como el utilizado en los termómetros de mercurio.

El coeficiente de expansión térmica es la velocidad a la que cambia el tamaño de un material con respecto al cambio de temperatura. Las consideraciones de tamaño pueden realizarse mediante cambios en la longitud, el área o el volumen, por lo que existen coeficientes derivables para expansiones lineales, de área y de volumen.

El coeficiente volumétrico de dilatación térmica viene dado por `alfa _{V}=\frac{1}{V} \donde `p` denota una presión constante, `V` denota el volumen, y `frac{parcial V}{parcial T}` denota el cambio de volumen con respecto a la temperatura. En el caso de los gases, es importante mantener la presión constante, ya que los gases se expanden a temperaturas constantes y presiones reducidas.

coeficiente de dilatación térmica del acero

El coeficiente de dilatación térmica volumétrica se evalúa fácilmente si se dispone de una ecuación de estado o, incluso, de simples valores del volumen del fluido en función de la temperatura a presión constante. En la primera categoría, para un gas ideal, se demuestra fácilmente que

en el coeficiente de dilatación térmica de un líquido a saturación (no a presión constante). Sin embargo, se demuestra fácilmente que la diferencia entre βσ y βp es pequeña, mientras que βσ se determina con bastante facilidad para las mediciones de la densidad del líquido en saturación. De ello se deduce que se puede obtener una buena estimación de βp a partir de las mediciones de la densidad del líquido saturado.