TERMODINÁMICA, CALOR Y GASES

Dilatación térmica: tipos, fórmulas y ejemplos

En un puente se dejan juntas porque unos pocos milímetros de expansión repetidos en tramos largos pueden generar esfuerzos enormes si la estructura no tiene espacio para moverse.

Editorial Ejemplode 6 min Revisado editorialmente
Respuesta rápida

La dilatación térmica es el cambio de dimensiones asociado con un cambio de temperatura. Para una barra y variaciones moderadas: ΔL=αL₀ΔT. En sólidos isotrópicos, el área usa aproximadamente 2α y el volumen 3α.

    Qué sucede en esta situación

    El coeficiente depende del material y puede variar con la temperatura. La fórmula lineal describe cambios pequeños y libres; si el cuerpo está restringido aparecen esfuerzos térmicos.

    Barra antes y después de expandirse por un aumento de temperatura
    La longitud final suma el cambio αL₀ΔT a la longitud inicial.

    Qué explica y qué no explica

    Idea física: Las dimensiones cambian porque la separación media entre partículas varía con la temperatura.

    Condición: El cambio sea pequeño, el material pueda expandirse libremente y α sea aproximadamente constante.

    Límite: Materiales anisótropos, cambios grandes o cuerpos restringidos requieren modelos adicionales.

    Conexiones de la familia

    Para distinguir mecanismos y elegir el modelo adecuado, continúa con Conducción de calor y compáralo con Fusión (cambio de estado).

    Fórmula principal

    Dilatación linealΔL = αL₀ΔT

    Cambio de longitud de un sólido libre para un intervalo en que α puede aproximarse constante.

    Magnitudes, símbolos y unidades

    MagnitudSímboloUnidadSímbolo de unidadNota
    Cambio de longitudΔLmetromPositivo al expandirse y negativo al contraerse.
    Coeficiente linealαpor kelvinK⁻¹Depende del material y la temperatura.
    Longitud inicialL₀metromAntes del cambio térmico.
    Cambio de temperaturaΔTkelvinKTfinal−Tinicial.

    Fórmulas derivadas

    Longitud final

    Lf=L₀(1+αΔT)

    Procedencia: Suma L₀+ΔL.

    Cuándo usarla: Expansión lineal pequeña.

    Volumen isotrópico

    ΔV≈3αV₀ΔT

    Procedencia: Para pequeñas deformaciones, β≈3α.

    Cuándo usarla: Sólido isotrópico y libre.

    Cómo resolver problemas de dilatación térmica

    1. Representa la situación

      Distingue el sistema, el entorno, los estados inicial y final y la magnitud buscada.

    2. Comprueba las condiciones

      Verifica que el cambio sea pequeño, el material pueda expandirse libremente y α sea aproximadamente constante.

    3. Unifica unidades

      convertir longitudes a una unidad común y usar ΔT en K o °C.

    4. Sustituye con signos

      Usa la relación ΔL = αL₀ΔT y conserva la convención declarada.

    5. Interpreta el resultado

      Comprueba unidad, orden de magnitud, dirección y límite del modelo.

    10 ejemplos explicados de dilatación térmica

    Cada solución avanza de la situación concreta a la interpretación del resultado. Comprueba los datos, las unidades y el sentido de la conclusión antes de continuar.

    1

    Riel de acero

    ΔL=9,6 mm.

    Problema: Un riel de 20 m, α=12×10⁻⁶ K⁻¹, aumenta 40 K.

    1. Datos: L₀=20 m; α=12×10⁻⁶; ΔT=40 K.
    2. Principio: ΔL=αL₀ΔT.
    3. Sustitución: ΔL=12×10⁻⁶×20×40.
    4. Cálculo o razonamiento: 12×20×40×10⁻⁶=0,0096.
    5. Resultado: ΔL=9,6 mm.
    6. Interpretación: Las juntas evitan esfuerzos excesivos cuando el riel se alarga.
    2

    Puente

    ΔL=1,65 cm.

    Problema: Un tramo de 50 m con α=11×10⁻⁶ aumenta 30 K.

    1. Datos: L₀=50; α=11×10⁻⁶; ΔT=30.
    2. Principio: ΔL=αL₀ΔT.
    3. Sustitución: ΔL=11×10⁻⁶×50×30.
    4. Cálculo o razonamiento: =0,0165 m.
    5. Resultado: ΔL=1,65 cm.
    6. Interpretación: La expansión es pequeña en porcentaje, pero relevante en estructuras largas.
    3

    Cable que se enfría

    ΔL=−8,5 mm.

    Problema: Un cable de 10 m con α=17×10⁻⁶ baja 50 K.

    1. Datos: ΔT=−50 K.
    2. Principio: ΔL=αL₀ΔT.
    3. Sustitución: ΔL=17×10⁻⁶×10×(−50).
    4. Cálculo o razonamiento: =−0,0085 m.
    5. Resultado: ΔL=−8,5 mm.
    6. Interpretación: El signo negativo representa contracción.
    4

    Agujero en una placa

    El orificio se agranda.

    Problema: Una placa con un orificio se calienta uniformemente. ¿Qué ocurre con el orificio?

    1. Datos: Material isotrópico y calentamiento uniforme.
    2. Principio: Todas las longitudes se escalan, incluido el borde del orificio.
    3. Sustitución: El diámetro sigue ΔD=αD₀ΔT.
    4. Cálculo o razonamiento: Razonamiento geométrico.
    5. Resultado: El orificio se agranda.
    6. Interpretación: No se cierra: se comporta como si estuviera hecho del mismo material.
    5

    Área de una lámina

    ΔA≈0,004 m².

    Problema: A₀=2,0 m², α=20×10⁻⁶ y ΔT=50 K. Usa βA≈2α.

    1. Datos: A₀=2; βA≈40×10⁻⁶; ΔT=50.
    2. Principio: ΔA≈βAA₀ΔT.
    3. Sustitución: ΔA=40×10⁻⁶×2×50.
    4. Cálculo o razonamiento: =0,004 m².
    5. Resultado: ΔA≈0,004 m².
    6. Interpretación: La relación βA≈2α es una aproximación para sólidos isotrópicos y cambios pequeños.
    6

    Volumen de un sólido

    ΔV≈3,6×10⁻⁴ m³.

    Problema: V₀=0,10 m³, α=15×10⁻⁶ y ΔT=80 K. Usa β≈3α.

    1. Datos: β≈45×10⁻⁶.
    2. Principio: ΔV≈βV₀ΔT.
    3. Sustitución: ΔV=45×10⁻⁶×0,10×80.
    4. Cálculo o razonamiento: =0,00036 m³.
    5. Resultado: ΔV≈3,6×10⁻⁴ m³.
    6. Interpretación: La aproximación lineal omite términos de orden superior.
    7

    Longitud final

    Lf=2,0012 m.

    Problema: Una barra de 2,000 m aumenta 1,2 mm.

    1. Datos: L₀=2,000 m; ΔL=0,0012 m.
    2. Principio: Lf=L₀+ΔL.
    3. Sustitución: Lf=2,000+0,0012.
    4. Cálculo o razonamiento: =2,0012.
    5. Resultado: Lf=2,0012 m.
    6. Interpretación: Conviene convertir milímetros a metros antes de sumar.
    8

    Coeficiente desconocido

    α=12×10⁻⁶ K⁻¹.

    Problema: Una barra de 5 m crece 3 mm al aumentar 50 K. Halla α.

    1. Datos: ΔL=0,003 m; L₀=5 m; ΔT=50 K.
    2. Principio: α=ΔL/(L₀ΔT).
    3. Sustitución: α=0,003/(5×50).
    4. Cálculo o razonamiento: 0,003/250=1,2×10⁻⁵.
    5. Resultado: α=12×10⁻⁶ K⁻¹.
    6. Interpretación: El valor corresponde aproximadamente a varios aceros.
    9

    Tapa metálica

    La tapa se afloja temporalmente.

    Problema: Calentar solo una tapa metálica ayuda a abrir un frasco. ¿Por qué?

    1. Datos: La tapa recibe un aumento de temperatura mayor que el vidrio.
    2. Principio: La dimensión de la tapa aumenta con ΔL=αL₀ΔT.
    3. Sustitución: Mayor diámetro interno de la tapa.
    4. Cálculo o razonamiento: Explicación cualitativa.
    5. Resultado: La tapa se afloja temporalmente.
    6. Interpretación: También influyen sello, fricción y diferencias entre coeficientes.
    10

    Junta bimetálica

    La tira se curva hacia el metal que se expande menos.

    Problema: Dos metales unidos tienen α distintos y se calientan.

    1. Datos: α₁≠α₂.
    2. Principio: Cada capa intentaría alargarse una cantidad distinta.
    3. Sustitución: La unión obliga a curvarse.
    4. Cálculo o razonamiento: Razonamiento comparativo.
    5. Resultado: La tira se curva hacia el metal que se expande menos.
    6. Interpretación: La dirección supone calentamiento y geometría convencional.

    Ahora te toca a ti

    Ejercicio 1

    L₀=8 m, α=10×10⁻⁶ y ΔT=50 K. Halla ΔL.

    Comprobar respuesta

    Respuesta: 4 mm

    ΔL=αL₀ΔT.

    Ejercicio 2

    Una barra se contrae 2 mm desde 4 m con ΔT=−25 K. Halla α.

    Comprobar respuesta

    Respuesta: 20×10⁻⁶ K⁻¹

    Usa α=ΔL/(L₀ΔT) con signos.

    Ejercicio 3

    ¿Un agujero se agranda al calentar uniformemente una placa?

    Comprobar respuesta

    Respuesta:

    Todas las dimensiones se escalan.

    Ejercicio 4

    Para un sólido isotrópico, ¿cómo se aproxima β volumétrico?

    Comprobar respuesta

    Respuesta: β≈3α

    Vale para cambios pequeños.

    Ejercicio 5

    ¿Qué significa ΔL negativo?

    Comprobar respuesta

    Respuesta: Contracción

    La longitud final es menor.

    Errores frecuentes

    Error: Aplicar la fórmula sin comprobar que el cambio sea pequeño, el material pueda expandirse libremente y α sea aproximadamente constante.

    Corrección: Declara primero las condiciones del proceso.

    Si cambia una variable que el modelo supone fija, la relación deja de describir el caso.

    Error: Sumar milímetros a metros sin convertir o usar temperatura final en lugar de ΔT.

    Corrección: convertir longitudes a una unidad común y usar ΔT en K o °C.

    Las unidades forman parte de la magnitud y permiten detectar sustituciones incoherentes.

    Error: Afirmar que un orificio se cierra cuando la placa se calienta.

    Corrección: Las dimensiones cambian porque la separación media entre partículas varía con la temperatura.

    La corrección conecta el cálculo con el fenómeno físico observable.

    Error: Ocultar o cambiar el signo del resultado.

    Corrección: ΔT y ΔL deben conservar sus signos: enfriamiento y contracción suelen ser negativos.

    Debe declararse una convención y conservarla durante todo el procedimiento.

    Error: Extender el modelo fuera de su intervalo útil.

    Corrección: Indica el límite: materiales anisótropos, cambios grandes o cuerpos restringidos requieren modelos adicionales.

    Una fórmula puede ser exacta dentro de un modelo y aun así requerir cautela en un sistema real.

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    Pregunta 1 de 10

    ¿Cuál es la relación principal de Dilatación térmica?

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    Fuentes y revisión editorial

    Cómo citar este artículo

    Editorial Ejemplode. (2026, 5 de agosto). Dilatación térmica: tipos, fórmulas y ejemplos. https://www.ejemplode.com/fisica/dilatacion-termica/

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