Las propiedades térmicas de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.
La capacidad calorífica, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.
Coeficiente de expansión térmica de materiales
La expansión térmica es generalmente la tendencia de la materia a cambiar sus dimensiones en respuesta a un cambio de temperatura. Por lo general, se expresa como un cambio fraccionario en longitud o volumen por cambio de temperatura unitario. La expansión térmica es común para sólidos, líquidos y gases. A diferencia de los gases o líquidos, los materiales sólidos tienden a mantener su forma cuando experimentan expansión térmica. Un coeficiente de expansión lineal se emplea generalmente para describir la expansión de un sólido, mientras que un coeficiente de expansión de volumen es más útil para un líquido o un gas.
El coeficiente de expansión térmica lineal se define como:
donde L es una medida de longitud particular y dL/dT es la tasa de cambio de esa dimensión lineal por unidad de cambio de temperatura.
El coeficiente de expansión térmica volumétrica es el coeficiente de expansión térmica más básico y el más relevante para los fluidos. En general, las sustancias se expanden o contraen cuando cambia su temperatura, y la expansión o contracción ocurre en todas las direcciones.
El coeficiente de expansión térmica volumétrica se define como:
donde L es el volumen del material y dV/dT es la tasa de cambio de ese volumen por unidad de cambio de temperatura.
En un sólido o líquido, existe un equilibrio dinámico entre las fuerzas cohesivas que mantienen unidos los átomos o moléculas y las condiciones creadas por la temperatura. Por lo tanto, temperaturas más altas implican una mayor distancia entre los átomos. Los diferentes materiales tienen diferentes fuerzas de unión y, por lo tanto, diferentes coeficientes de expansión. Si un sólido cristalino es isométrico (tiene la misma configuración estructural en todas partes), la expansión será uniforme en todas las dimensiones del cristal. Para estos materiales, el área y el coeficiente de expansión térmica volumétrica son, respectivamente, aproximadamente dos y tres veces mayores que el coeficiente de expansión térmica lineal (αV = 3αL). Si no es isométrico, puede haber diferentes coeficientes de expansión para diferentes direcciones cristalográficas, y el cristal cambiará de forma a medida que cambia la temperatura.
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