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Dilatación térmica y densidad
La dilatación térmica de los materiales puede provocar grandes daños comerciales. En la construcción, por ejemplo, deben preverse juntas de dilatación para compensar los cambios de longitud en caso de fluctuaciones de temperatura. Además, los coeficientes de dilatación de los materiales en contacto deben coincidir entre sí. Si los coeficientes de dilatación de un cuerpo cerámico y un esmalte difieren demasiado, se forman las llamadas «grietas en tela de araña», que a menudo pueden observarse en platos de porcelana antiguos.
La expansión tiene lugar en todas las direcciones espaciales, de modo que la densidad cambia, ya que la masa permanece constante. En el caso de los materiales anisótropos, la expansión depende de la dirección, por lo que debe especificarse la dirección de la expansión. En consecuencia, deben tenerse en cuenta todas las direcciones espaciales para determinar la densidad o el coeficiente de dilatación volumétrica.
Definición de dilatación térmica
El coeficiente de dilatación térmica (CTE) se define como el cambio relativo de longitud ante un cambio de temperatura de un Kelvin:
α= ∆L/(L0 *∆T)
mit:
∆L: Cambio de longitud [m]
L0: Longitud de salida [m]
∆T: Cambio de temperatura [K]
dando resultados en unidades α de K-1 («por Kelvin»). Depende de la temperatura y, por tanto, cambia, aunque a menudo sólo en pequeña medida, según el intervalo de temperatura considerado. Su magnitud suele ser de 10-6 K-1, por lo que a menudo se indica en «ppm K-1».
Los materiales con coeficientes de dilatación bajos son, por ejemplo, el cristal de cuarzo y el metal INVAR, que tienen un coeficiente de dilatación inferior a 1 ppm K-1. Los mayores coeficientes de dilatación los tienen los polímeros (hasta unas 200 ppm K-1). Algunos materiales tienen dilataciones negativas, según el intervalo de temperatura.
Transformaciones de fase
Los coeficientes de dilatación de las distintas fases de un mismo material difieren. Por ejemplo, los coeficientes de dilatación de los polímeros por encima de la temperatura de transición vítrea son mayores que los que están por debajo.
Otro ejemplo conocido son las transformaciones de fase del hierro elemental: hasta 90°C, la estructura cristalina cúbico-espacialmente centrada es estable(α-hierro), de 906°C a 1401°C, tiene la densidad más cúbica(β-hierro), y por encima de 1539°C vuelve de nuevo a la estructura cristalina cúbico-espacialmente centrada(δ-hierro). Como el relleno espacial del empaquetamiento de mayor densidad cúbica (74%) es mayor que el del empaquetamiento cúbico-centrado (68%), se producen saltos de densidad y, por tanto, también de longitud en las transformaciones de fase. Éstos se utilizan para detectar las transiciones de fase en las aleaciones de hierro:
Medición del coeficiente de dilatación
El método de medición a seleccionar depende del estado de agregación de la muestra, de la magnitud del coeficiente de dilatación de la muestra a medir y del intervalo de temperaturas a considerar. Las propiedades mecánicas de la muestra también deben tenerse en cuenta en la producción de muestras adecuadas y, por tanto, en la selección del método de medición.
Líquidos
La dilatación o densidad de los líquidos se determina generalmente mediante picnómetros.
En este caso, se controla la temperatura de un volumen constante de la muestra y se determina la masa.
Los líquidos suelen dilatarse al aumentar la temperatura. Una excepción bien conocida es el agua, que tiene su máximo de densidad a 4 °C («anomalía del agua»).
Además, se utiliza el llamado método de oscilación por flexión.
En este caso, la densidad se calcula a partir de la medición de la frecuencia natural de un oscilador de flexión lleno del líquido a investigar.
Los líquidos también pueden medirse utilizando recipientes adecuados para líquidos en un dilatómetro de varilla.
En este caso, asegúrate de que no escapan gases del líquido o de que los gases que escapan también salen del recipiente, por lo que, sin embargo, la muestra líquida no debe escapar.
Cuerpo macizo
Los sólidos suelen medirse con dilatómetros (de varilla) o analizadores termomecánicos (TMA).
En este caso, la muestra se introduce en un horno y se hace contacto con ella mediante una varilla de empuje.
El cambio de longitud de la muestra es transmitido por la varilla de empuje a un sensor.
Según el horno utilizado, se puede cubrir un intervalo de temperatura de -263 a +2800°C.
Según el intervalo de temperatura, se utilizan varillas de empuje de cristal de cuarzo, óxido de aluminio o grafito. Como sensores se suelen utilizar transformadores diferenciales (LVDT – transformadores diferenciales variables lineales) y, recientemente, también codificadores ópticos.
Si las muestras son difíciles de procesar, frágiles o fácilmente deformables debido a sus propiedades, de modo que no resistan la fuerza de la varilla de empuje de contacto, dilatómetros ópticos también llamados microscopios térmicos.
Aquí, como en el caso del dilatómetro de varilla de empuje, la muestra se coloca en un horno.
La muestra se observa mediante una cámara cuyas imágenes se miden.
Mediante el análisis de las imágenes, no sólo se puede observar la dilatación (aquí incluso en 2 dimensiones), sino también los cambios de forma y fusión, y los ángulos de contacto calculados.
Las muestras en polvo se miden en adaptadores especiales.
En este caso, asegúrate de que el aire encerrado, pero no la muestra, pueda escapar (de forma análoga a la medición de líquidos).
También debe observarse el grado de compactación (densidad aparente, densidad por vibración y densidad por toma) de la muestra: no debe modificarse por las condiciones de medición.
Los materiales con coeficientes de dilatación especialmente bajos se miden mediante métodos interferométricos.
En este caso, la luz monocromática se refleja en la muestra y se lleva a interferencia con un segundo haz (principio del interferómetro de Michelson).
El cambio de longitud resulta de la longitud de onda de la luz utilizada y del número de interferencias.
Estos aparatos de medición también se denominan dilatómetros láser.
