Muchos materiales, especialmente los metales, se expanden físicamente cuando se calientan debido al aumento de la energía cinética de los átomos. Esta expansión se mueve hacia afuera en las tres dimensiones, aunque no necesariamente en el mismo grado. El coeficiente de expansión lineal es el valor que correlaciona la diferencia de longitud de un objeto con la diferencia de temperatura del objeto cuando se tomaron las dos medidas de longitud. Un valor mayor significa que el material se expande más durante un aumento de temperatura establecido que un material con un coeficiente más bajo.
Estrictamente hablando, el coeficiente de expansión lineal también es una función de la temperatura, pero para la mayoría de los materiales, se puede considerar una constante para el rango de 32 ° a 212 ° F (0 ° a 100 ° C). Los líquidos también se expanden, y el equivalente tridimensional, el coeficiente de expansión cuboidal a una temperatura dada, se usa en los cálculos de cambios de volumen. Los gases se expanden para llenar cualquier recipiente en el que se colocan. A medida que su volumen se fija, los gases aumentan de presión a medida que aumenta la temperatura.
Las tablas de estos valores están disponibles en los manuales de ingeniería. Los valores se dan en unidades de 10,000a ‘o en 10-6 m / m K o en 10-6 pulgadas / en ° F. El símbolo a ‘se utiliza en el sistema de medición estadounidense estándar. Evaluar un ejemplo ayudará a aclarar estas unidades.
Este valor se expresa en unidades de longitud. El coeficiente de expansión lineal para alambre de latón se indica en 18.7 x 10-6 m / m K y 10.4 x 10-6 pulg. / Pulg. ° F. El cálculo de la expansión en la longitud de un cable de latón que mide 10 pies (3.048 m) de largo a 70 ° F (21.1 ° C) y se calienta a 80 ° F (26.6 ° C) es:
10 pies son 120 pulgadas. El alambre de latón se expandirá 10.4 x 10-6 pulgadas por pulgada de longitud inicial por grado Fahrenheit de aumento de temperatura. 120 + (10.4 x 10-6) x 120 x 10 = 120.0125 pulgadas.
En unidades métricas, el cálculo es 3.048 m + (18.7 x 10-6) x 3.048 x 10 × 5/9 = 3.048316 m, lo que equivale a 120.0124 pulgadas. El 5/9 de la ecuación convierte un grado Fahrenheit en un grado Celsius.
Esta diferencia de longitud puede parecer trivial, pero al diseñar elementos como cables de alimentación que tienen cientos de millas o kilómetros de largo y que experimentarán diferencias de temperatura de 150 ° o más, sin embargo, se debe tener en cuenta la expansión térmica. Las piezas con tolerancias muy estrictas, como en los dispositivos ópticos, también deben protegerse de las variaciones de temperatura o adaptarse a la expansión no uniforme de piezas fabricadas con diferentes materiales.