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Dilatación Térmica

La dilatación térmica es un fenómeno que provoca cambios dimensionales en los materiales debido a variaciones de temperatura. Se mide mediante coeficientes específicos para la dilatación lineal, superficial y volumétrica. Estos coeficientes son cruciales en el diseño y la ingeniería para prevenir fallos estructurales y garantizar la funcionalidad de componentes mecánicos y construcciones. Ejemplos prácticos incluyen la expansión de cables de cobre o la contracción de barras de aluminio con cambios térmicos.

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1

El cambio en la longitud de un material debido a la temperatura se calcula con la fórmula ______.

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ΔL = αL₀ΔT

2

El ______ de dilatación lineal es una constante que varía según el ______.

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coeficiente material

3

Un cable de ______ de 12 m se alarga 3 mm al pasar de 20 ℃ a ______ ℃.

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cobre 35

4

El coeficiente de dilatación lineal del cobre es ______ por grado centígrado.

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17x10^-6

5

Fórmula de dilatación superficial

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ΔA = βA₀ΔT. ΔA: cambio en área, A₀: área inicial, β: coef. dilatación superficial, ΔT: variación temp.

6

Fórmula de dilatación volumétrica

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ΔV = γV₀ΔT. ΔV: cambio en volumen, V₀: volumen inicial, γ: coef. dilatación volumétrica, ΔT: variación temp.

7

Aplicación de dilataciones según dimensiones

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Dilatación lineal: 1D, superficial: 2D, volumétrica: 3D. Dependen de la forma del objeto.

8

Al calentarse de ______ ℃ a ______ ℃, una ventana de vidrio de ______ m² experimentará un aumento en su área.

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21 35 1.4

9

Para ensamblar componentes con precisión, como un remache de ______ que debe pasar por un orificio en una placa de ______, puede ser necesario ajustar la temperatura debido a la dilatación diferencial.

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acero aluminio

10

Importancia de calcular la dilatación térmica

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Evita problemas estructurales en materiales al expandirse o contraerse por cambios de temperatura.

11

Fórmula de dilatación superficial

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Calcula el área final de objetos bidimensionales aplicando el coeficiente de dilatación superficial al área inicial.

12

Dilatación volumétrica de sólidos

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Usa el volumen inicial y el coeficiente de dilatación volumétrica para estimar el volumen final tras variación térmica.

13

Los ______ de ______ son cruciales para calcular cómo se expanden o contraen los materiales con las variaciones de ______, garantizando así la ______ y la ______ de lo construido y los dispositivos mecánicos.

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coeficientes dilatación temperatura integridad estructural funcionalidad

14

La correcta implementación de los principios de ______ ______ ayuda a evitar ______ ______, incrementando la ______ y ______ de infraestructuras y productos.

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dilatación térmica fallos estructurales seguridad durabilidad

Preguntas y respuestas

Aquí tienes una lista de las preguntas más frecuentes sobre este tema

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Conceptos Fundamentales de la Dilatación Térmica

La dilatación térmica es el fenómeno por el cual un material cambia sus dimensiones en respuesta a una variación en la temperatura. Este cambio dimensional es directamente proporcional a la longitud original del material (L₀), la variación de temperatura (ΔT), y está determinado por el coeficiente de dilatación lineal (α), una constante característica de cada material. La fórmula para calcular la dilatación lineal es ΔL = αL₀ΔT, donde ΔL es el cambio en la longitud. Por ejemplo, un cable de cobre de 12 m a 20 ℃ se expandirá aproximadamente 3 mm al incrementar su temperatura a 35 ℃, considerando que el coeficiente de dilatación lineal del cobre es α = 17x10^-6 /℃.
Primer plano de junta de expansión metálica en puente de acero con cielo azul claro de fondo y carretera visible en la parte inferior.

Relación entre Dilatación y Dimensiones del Material

Además de la dilatación lineal, existen la dilatación superficial y volumétrica, aplicables a objetos con predominancia en dos o tres dimensiones, respectivamente. La dilatación superficial se calcula con la fórmula ΔA = βA₀ΔT, donde ΔA es el cambio en el área, A₀ el área inicial, β el coeficiente de dilatación superficial y ΔT la variación de temperatura. La dilatación volumétrica se determina mediante ΔV = γV₀ΔT, donde ΔV es el cambio en el volumen, V₀ el volumen inicial, y γ el coeficiente de dilatación volumétrica. Estos coeficientes son generalmente proporcionales al coeficiente de dilatación lineal, con β ≈ 2α y γ ≈ 3α para la mayoría de los materiales isotrópicos.

Ejemplos Prácticos de Dilatación en Diferentes Materiales

La dilatación térmica se manifiesta en diversos contextos prácticos. Por ejemplo, una barra de aluminio de 10 m a 800 ℃ se contraerá a una longitud menor al enfriarse a 18 ℃, debido a su coeficiente de dilatación. En otro caso, una ventana de vidrio de 1.4 m² a 21 ℃ experimentará un ligero aumento en su área al calentarse a 35 ℃. Además, la dilatación diferencial de materiales como el acero y el aluminio puede requerir ajustes de temperatura para ensamblar componentes con precisión, como en el caso de un remache de acero que debe pasar a través de un orificio en una placa de aluminio.

Cálculo de la Dilatación en Aplicaciones Prácticas

El cálculo preciso de la dilatación térmica es fundamental en aplicaciones prácticas para evitar problemas estructurales. Al calcular la dilatación de una puerta de aluminio, se toma en cuenta el área inicial y se aplica la fórmula de dilatación superficial para estimar el área tras un cambio de temperatura. Similarmente, para calcular la dilatación volumétrica de una barra de aluminio, se utiliza su volumen inicial y el coeficiente de dilatación volumétrica del aluminio para determinar el volumen final y el incremento volumétrico debido a un cambio de temperatura.

Importancia de la Dilatación Térmica en el Diseño y la Ingeniería

La comprensión de la dilatación térmica es crucial en el diseño y la ingeniería, ya que permite anticipar y compensar los cambios dimensionales en estructuras y componentes mecánicos. Los coeficientes de dilatación son vitales para predecir la expansión o contracción de los materiales bajo diferentes condiciones térmicas, asegurando la integridad estructural y la funcionalidad de las construcciones y dispositivos mecánicos. Una aplicación adecuada de los principios de dilatación térmica previene fallos estructurales y mejora la seguridad y durabilidad de las infraestructuras y productos manufacturados.