El coeficient de dilatació, també conegut com a coeficient d'expansió tèrmica, és una propietat física dels materials que descriu com canvia el volum, la longitud o alguna altra dimensió d'un material a causa d'un canvi en la temperatura. És a dir, és una mesura que indica quant s'expandeix o contrau un material quan s'escalfa o es refreda.
Quan s'augmenta la temperatura d'un material, els seus àtoms o molècules tendeixen a vibrar amb més energia, cosa que resulta en un augment a l'espai entre ells, cosa que al mateix temps causa l'expansió del material.
De manera similar, quan es refreda el material, la disminució de l'energia tèrmica fa que els àtoms o les molècules s'hi acostin, provocant una contracció.
El coeficient de dilatació es denota generalment amb la lletra grega "α" (alfa) i es mesura en unitats de 1/°C (invers de graus Celsius) o 1/°K (invers de kelvin). Depenent del tipus de dilatació tèrmica (volumètrica, lineal o superficial), el coeficient de dilatació pot tenir diferents valors.
Tipus de coeficients de dilatació
Hi ha tres tipus principals de coeficients de dilatació, que s'utilitzen per descriure diferents tipus de dilatació als materials. Aquests coeficients es denoten comunament com:
Coeficient de Dilatació Lineal (αl)
El coeficient de dilatació lineal fa referència al canvi en la longitud d'un material en una sola dimensió (per exemple, en una barra o tub) a causa dels canvis de temperatura.
S'utilitza quan el material té propietats anisotròpiques (és a dir, les seves propietats difereixen en diferents direccions).
Coeficient de Dilatació Volumètrica (αv)
El coeficient de dilatació volumètrica descriu com varia el volum d‟un material respecte als canvis de temperatura.
Es calcula a partir dels coeficients de dilatació lineal en tres dimensions (en el cas de materials isotròpics). Per a materials isotròpics (amb propietats iguals a totes les direccions), el coeficient de dilatació volumètrica està relacionat amb el coeficient de dilatació lineal (αl) mitjançant l'equació:
αv = 3 * αl
Coeficient de Dilatació Superficial (αs)
El coeficient de dilatació superficial s'aplica a materials en làmines o planxes, on la dilatació passa principalment en dues dimensions (longitud i amplada) a causa de canvis de temperatura.
Aquest coeficient està relacionat amb el coeficient de dilatació lineal i s'utilitza en càlculs on cal tenir en compte l'expansió en només dues direccions.
Com es determina el coeficient de la dilatació d'un material?
El coeficient de dilatació tèrmica es determina experimentalment mitjançant un procés anomenat anàlisi dilatomètrica. Tot seguit, es descriu un mètode general per determinar el coeficient de dilatació lineal d'un material:
-
Se selecciona una mostra del material que es vol analitzar. La mostra pot ser en forma de barra, filferro, làmina o una altra geometria que faciliti els mesuraments.
-
Es mesura la longitud inicial de la mostra utilitzant un instrument de mesurament precís, com un calibrador o regla mil·limetrada. Aquesta serà la longitud de referència (L0).
-
Es col·loca la mostra en un dispositiu anomenat dilatòmetre o interferòmetre, que permet mesurar amb precisió els canvis de longitud de la mostra pel que fa a canvis de temperatura.
-
La mostra se sotmet a un escalfament controlat al rang de temperatures d'interès de manera uniforme i gradual.
-
A mesura que s'incrementa la temperatura, es registren els mesuraments de longitud de la mostra a intervals regulars de temperatura.
-
Amb les dades recopilades, es construeix una gràfica de dilatació tèrmica, que mostra com canvia la longitud de la mostra en funció de la temperatura. El pendent d'aquest gràfic proporciona informació sobre el coeficient de dilatació lineal del material.
-
El coeficient de dilatació lineal (αl) es calcula a partir de la gràfica de dilatació tèrmica usant la fórmula següent:
αl = (ΔL / (L0 * ΔT))
On:
αl = Coeficient de dilatació lineal
ΔL = Canvi de longitud de la mostra
L0 = Longitud inicial de la mostra
ΔT = Canvi de temperatura experimentat
Exemples de coeficients de dilatació
Tot seguit, es presenta una taula amb els coeficients de dilatació lineal aproximats per a alguns materials destacats. Els valors estan en unitats de microstrain per grau Celsius (µε/°C).
|
Material |
Coeficient de Dilatació Lineal (µε/°C) |
Descripció |
|
Acer (Acer al carboni) |
11 - 13 |
L'acer és un aliatge de ferro amb carboni, àmpliament utilitzat en la construcció, maquinària i altres aplicacions a causa de la seva alta resistència i mal·leabilitat. El coeficient de dilatació moderat el fa adequat per a diverses aplicacions. |
|
Formigó (Concret) |
8 - 12 |
El formigó és una barreja de ciment, agregats i aigua, utilitzat per construir estructures duradores i sòlides. Té un coeficient de dilatació més baix en comparació amb altres materials, cosa que el fa adequat per a fonamentacions i estructures massives. |
|
Vidre (Vidre borosilicat) |
3 - 4 |
El vidre borosilicat és un tipus de vidre resistent a la calor i productes químics. S'utilitza en aplicacions on cal transparència i resistència tèrmica, com en utensilis de laboratori i finestres d'alta resistència. |
|
Vidre (Vidre comú) |
8-10 |
El vidre comú és un material àmpliament utilitzat en finestres, envasos i aplicacions arquitectòniques. El seu coeficient de dilatació és més alt que el vidre borosilicat, cosa que el fa més propens a dilatar-se amb canvis de temperatura. |
|
Alumini |
22 - 24 |
L'alumini és un metall lleuger i resistent amb una àmplia gamma d'aplicacions a la indústria, des de transport fins a electrònica. El seu alt coeficient de dilatació el fa ideal per a aplicacions que requereixen baixa inèrcia tèrmica. |
|
Coure |
16 - 18 |
El coure és un excel·lent conductor delectricitat i calor, utilitzat en aplicacions elèctriques i electròniques. El seu coeficient de dilatació moderat el fa adequat per a aplicacions en què es requereix una bona conductivitat tèrmica. |
|
Llautó |
19-20 |
El llautó és un aliatge de coure i zinc, apreciat per la seva brillantor i mal·leabilitat. S'utilitza en aplicacions on es requereix una combinació de resistència, conductivitat i estètica, com ara accessoris i elements decoratius. |
|
Plata |
19-20 |
La plata és un metall preciós conegut per la seva alta conductivitat elèctrica i tèrmica. El coeficient de dilatació moderat el fa adequat per a aplicacions en què es requereix una bona conductivitat tèrmica amb una menor expansió tèrmica. |
|
Ferro |
11 - 12 |
El ferro és un metall abundant utilitzat en la construcció i la fabricació de diverses estructures i productes industrials. El coeficient de dilatació moderat el fa adequat per a aplicacions estructurals i denginyeria. |
|
Zinc |
30 - 32 |
El zinc és un metall utilitzat a la galvanització per protegir l'acer de la corrosió. El seu alt coeficient de dilatació el fa adequat per a aplicacions on es requereix una expansió tèrmica més gran. |
|
Ceràmica (Alúmina) |
7 - 8 |
L'alúmina és una ceràmica d'alta resistència utilitzada en aplicacions d'alta temperatura i desgast, com a components de motors i eines de tall. El baix coeficient de dilatació la fa adequada per a aplicacions amb alta estabilitat dimensional. |
|
Urani |
13 - 14 |
L'urani és un metall radioactiu utilitzat en aplicacions nuclears i com a combustible en reactors nuclears. El coeficient de dilatació moderat el fa rellevant en el disseny d'elements de reactors. |
