Dilatación superficial

La dilatación superficial es la expansión que experimenta un objeto variando su superficie a causa de un incremento de la temperatura. Se debe a características propias del material o a la forma geométrica que tenga. La dilatación ocurre en dos dimensiones en la misma proporción.

Este fenómeno se presenta en láminas delgadas y metálicas donde se puede apreciar cómo crece el área con los cambios de temperatura.

Qué es dilatación superficial

La dilatación superficial es el incremento que sufre un cuerpo en dos de sus dimensiones cuando se incrementa su temperatura.

En un material sólido los átomos mantienen sus posiciones relativamente fijas alrededor. No obstante, debido a la agitación térmica, siempre están oscilando en torno a un punto de equilibrio.

Las partículas (átomos o moléculas) experimentan los efectos de la temperatura en forma de agitación, al aumentar la temperatura la mayoría de los materiales aumentan su volumen, este incremento en el volumen es denominado expansión o dilatación.

Cuando aumenta la temperatura, también aumenta la oscilación térmica, esto hace que las posiciones de oscilación media se modifiquen. Es decir, se modifica la energía de enlace químico en función de la distancia interatómica.

Así las cosas, la energía total de oscilación a dos temperaturas se desplaza el centro de oscilación. La dilatación superficial es más evidente en cuerpos cuya forma geométrica es plana y el aumento de dimensión se nota más a los lados.

Fórmula de dilatación superficial

Para medir la dilatación superficial se comienza por identificar un área inicial Ao y una temperatura inicial To, del cuerpo u objeto al que se pretende medir la dilatación térmica.

Supongamos que el cuerpo u objeto es una lámina y el espesor de la misma es mucho menor que la raíz cuadrada del área Ao. Se somete a la lámina a una variación de temperatura ( Tf – To ).

Durante este proceso el área de la superficie también habrá cambiado a un nuevo valor de acuerdo a la variación de la longitud. Así se define el coeficiente de dilatación superficial σ cociente entre la variación relativa de área por unidad de variación de temperatura.

La siguiente fórmula define el cálculo del área final que expresa las variaciones de temperatura y longitud ocurridas en el cuerpo analizado:

Af = Ao * [1 + Ks * ( Tf – To) ]

Af: Área final (refleja el incremento en la superficie)

Ao: Área Inicial (antes de la exposición al aumento de temperatura)

Tf: Temperatura final (luego de la dilatación)

Ks: Factor o coeficiente que representa la dilatación del material.

To: Temperatura inicial (antes de la exposición al incremento de temperatura)

Al conocer el coeficiente de dilatación superficial de un cuerpo u objeto sólido, podemos calcular el área final o variación del área que tendrá ese objeto luego de alterar su temperatura.

Características de dilatación superficial

Estas son algunas características o aspectos notables de este tipo de dilatación;

La dilatación superficial dependerá del material que sea sometido a una fuente de calor para elevar su temperatura, cada material cuenta con un factor o coeficiente de dilatación (Ks) que permite conocer en qué magnitud se modificó el área del objeto analizado.

Veamos a continuación algunos coeficientes de dilatación superficial de materiales y elementos diversos. Este coeficiente se calcula con condiciones específicas: a presión atmosférica y con base en una temperatura ambiente de 25 °C. Su valor se considera constante en un rango de variación de temperatura que va desde -10°C hasta 100 °C.

La unidad del coeficiente de dilatación superficial es (°C)-1

• Acero: Ks = 24∙10-6 (°C)-1
• Aluminio: Ks = 46∙10-6 (°C)-1
• Oro: Ks = 28∙10-6 (°C)-1
• Cobre: Ks = 34∙10-6 (°C)-1
• Latón: Ks = 36∙10-6 (°C)-1
• Hierro: Ks = 24∙10-6 (°C)-1
• Vidrio: Ks = (14 a 18)∙10-6 (°C)-1
• Cuarzo: Ks = 0,8∙10-6 (°C)-1
• Diamante: Ks = 2,,4∙10-6 (°C)-1
• Plomo: Ks = 60∙10-6 (°C)-1
• Madera de roble: Ks = 108∙10-6 (°C)-1
• PVC: Ks = 104∙10-6 (°C)-1
• Fibra de carbono: Ks = -1,6∙10-6 (°C)-1
• Hormigón: Ks = (16 a 24)∙10-6 (°C)-1

En su mayoría, los materiales se dilatan cuando son sometidos al incremento de la temperatura. No obstante, existen materiales como la fibra de carbono que se contraen cuando se aumenta su temperatura.

Las láminas metálicas aumentan su ancho y su largo de forma apreciable cuando son calentadas por la radiación del sol. Análogamente, largo y ancho disminuyen cuando son enfriadas las láminas a causa de un descenso en la temperatura ambiente.

Por otro lado, dependiendo de las dimensiones ampliadas en un cuerpo, la expansión térmica también puede ser lineal (cuando el aumento en el volumen involucra una dimensión: la longitud). Y volumétrico cuando el aumento de volumen comprende tres dimensiones: longitud, ancho y profundidad.

Por esta razón, el coeficiente de dilatación volumétrica es tres veces mayor que el coeficiente de dilatación lineal.

Ejemplos de dilatación superficial

Veamos algunos ejemplos prácticos donde está presente el fenómeno de dilatación superficial por acción de la temperatura en uno u otro sentido, es decir, bien porque aumenta o porque disminuye en rangos apreciables:

• Los cauchos de los carros se dilatan con la elevación de la temperatura.
• Los rieles de los ferrocarriles modifican su tamaño debido al cambio de temperatura al que son sometidos. Al subir la temperatura en el día se dilatan y cuando la temperatura desciende en la noche se contraen.
• Los portales de las casas se dilatan y hacen ruidos con los cambios de temperatura, al calentarse o enfriarse generan ruidos por dilatación o compresión del material.
• El mercurio presente en los termómetros convencionales señala la temperatura al dilatarse por acción del calor recibido.
• Los sistemas de ductos, cañerías o tuberías, por la acción de la temperatura en uno u otro sentido.
• Las ventanas de metal utilizan espaciadores de goma para ajustarse a la acción de la temperatura.
• Los pisos de parquet pueden levantarse como consecuencia de la acción de la calefacción.
• Las láminas de zinc que usan algunas casas como techos se dilatan por su exposición al sol.
• El volumen del agua aumenta al congelarla dentro de un recipiente en el freezer.
• EL cableado del tendido eléctrico.
• Las cintas métricas metálicas pueden ocasionar errores de medición por la acción de la dilatación superficial.
• La fragmentación o resquebrajamiento del asfalto de las autopistas o carreteras, puede resquebrajarse por la acción de la temperatura en ciertas zonas geográficas o épocas del año.
• La dilatación que sufre el petróleo por la acción de la temperatura en una torre de destilación.

Preguntas Frecuentes sobre Dilatación superficial