La dilatació tèrmica és el fenomen físic en què un material experimenta un canvi en les seves dimensions a causa de variacions en la temperatura.
Quan s'augmenta la temperatura d'un objecte, les partícules que el componen tendeixen a moure's amb més energia i amplitud, cosa que causa un increment en l'espai intermolecular i, en conseqüència, en les dimensions macroscòpiques.
La dilatació tèrmica és un fenomen rellevant en moltes aplicacions pràctiques i pot tenir efectes significatius en estructures, sistemes mecànics i dispositius tèrmics. Els enginyers i dissenyadors han de considerar aquests efectes en dissenyar components i sistemes que estaran subjectes a canvis de temperatura.
Hi ha tres tipus principals de dilatació tèrmica: la dilatació lineal, la dilatació superficial i la dilatació volumètrica.
Dilatació lineal
La dilatació lineal és un tipus de dilatació tèrmica que es produeix en objectes unidimensionals, com ara barres, varetes o cables, quan se sotmeten a canvis de temperatura.
Quan un objecte s'escalfa, les partícules que el componen adquireixen més energia cinètica i s'allunyen entre si, provocant un augment de la longitud de l'objecte.
La fórmula per calcular la dilatació lineal dun objecte és la següent:
ΔL = α * L0 * ΔT
On:
-
ΔL és la variació de longitud.
-
L0 és la longitud inicial.
-
α és el coeficient de dilatació lineal del material.
-
ΔT correspon al canvi de temperatura.
Dilatació superficial
La dilatació superficial és un altre tipus de dilatació tèrmica que es produeix en objectes bidimensionals, com ara làmines, plaques o superfícies planes, quan se sotmeten a canvis de temperatura.
La variació de l'àrea superficial (ΔA) es relaciona amb l'àrea inicial (A0), el coeficient de dilatació superficial (β) del material i el canvi de temperatura (ΔT) mitjançant l'equació següent: ΔA = β * A0 * ΔT
El coeficient de dilatació superficial (β) és el doble del coeficient de dilatació lineal (α): β = 2 * α
Dilatació volumètrica
La dilatació volumètrica es refereix al canvi en el volum d‟un objecte tridimensional a causa de variacions en la temperatura.
La dimensió afectada és el volum. La variació del volum (ΔV) es relaciona amb el volum inicial (V0), el coeficient de dilatació volumètrica (γ) del material i el canvi de temperatura (ΔT) mitjançant la següent equació: ΔV = γ * V0 * ΔT.
El coeficient de dilatació volumètrica (γ) indica quant s'expandirà o es contraurà el volum de l'objecte per unitat de canvi de temperatura i és el triple del coeficient de dilatació lineal (α): γ = 3 * α
Coeficient de dilatació
Cada material té un coeficient de dilatació específic que determina quant s'expandirà o es contraurà per unitat de canvi de temperatura. Els materials amb coeficients de dilatació més alts tendeixen a experimentar una expansió tèrmica més gran amb l'augment de la temperatura.
Els coeficients de dilatació superficial i volumètrica són el doble i el triple respectivament del coeficient de dilatació lineal.
Els coeficients de dilatació lineal s'expressen generalment en unitats de 10-6 per grau Celsius (μm/°C) o 10-6 per grau Kelvin (μm/K).
De què depèn la dilatació tèrmica dun material?
La diferència en la dilatació tèrmica entre materials depèn de diverses característiques intrínseques de cada substància.
En primer lloc, l'estructura atòmica i el tipus d'enllaç al material tenen un paper fonamental: materials amb enllaços forts, com els vidres iònics o covalents, tendeixen a tenir una dilatació tèrmica més baixa que aquells amb enllaços més febles, com els materials amorfs.
A més, la massa atòmica, la densitat i la distribució d'àtoms també hi influeixen, ja que materials més densos amb àtoms més massius poden experimentar una dilatació menor en comparació amb materials menys densos.
Dilatació tèrmica als gasos
En el cas dels gasos, la variació del volum es regeix per altres fórmules. Per la seva naturalesa, els gasos tenen a ocupar tot el volum disponible, mantenint una relació equilibrada entre pressió, temperatura i volum.
Quan un gas pateix un canvi de temperatura, el volum varia depenent de com varia la pressió d'acord amb la llei universal dels gasos.
La llei de Charles i Gay-Lussac estableix que, a pressió constant, el volum d'un gas ideal és directament proporcional a la seva temperatura absoluta (mesura a Kelvin). L'equació que representa aquesta relació és:
V2 = V1 * (T2 / T1 )
On V1 i V2 són els volums inicial i final del gas, i T1 i T2 són les temperatures absolutes inicial i final, respectivament.
Exemples de dilatació tèrmica a la vida quotidiana
La dilatació tèrmica és un fenomen comú a la vida quotidiana i es pot observar en nombrosos objectes i situacions. Aquí hi ha alguns exemples:
-
Dilatació de vies i ponts: Els ponts i les carreteres estan fets de materials com ciment i acer, els quals s'expandeixen quan s'escalfen i es contrauen quan es refreden. Per aquesta raó, estan dissenyats amb juntes de dilatació per evitar esquerdes i trencaments.
-
Dilatació de rails de tren: Els rails de tren, generalment fets d'acer, també pateixen dilatació tèrmica. A mesura que s'escalfen sota el sol, els rails es poden allargar, i això pot donar lloc a la necessitat de juntes de dilatació per evitar problemes de deformació i distorsió de les vies.
-
Dilatació en líquids: Quan s'escalfa un líquid, les molècules guanyen energia cinètica i es mouen més ràpid, cosa que provoca que el volum del líquid augmenti. Un exemple comú és el termòmetre, on sutilitza la dilatació dun líquid, com el mercuri, per mesurar la temperatura.
-
Dilatació en línies elèctriques: Els cables elèctrics, especialment els que s'estenen per llargues distàncies, poden patir dilatació tèrmica a causa dels canvis de temperatura. Les línies elèctriques es poden expandir o contreure, variant la forma de la catenària i la força de tensió que els subjecta als extrems.
-
Dilatació en utensilis de cuina: En escalfar o refredar paelles, cassoles i altres utensilis de cuina, els materials amb què estan fabricats es dilaten o contrauen, cosa que pot afectar la seva forma i ajustament.
