estrés térmico

En mecánica y termodinámica , la tensión térmica es la tensión mecánica generada por cualquier cambio de temperatura en un material. Estas tensiones pueden provocar fracturas o deformación plástica, dependiendo de otras variables de calentamiento, como el tipo de material y las restricciones. ^{[ 1 ]} Los gradientes de temperatura , la dilatación o contracción térmica y los choques térmicos son factores que pueden generar tensión térmica. Este tipo de tensión depende en gran medida del coeficiente de dilatación térmica, que varía según el material. En general, cuanto mayor sea el cambio de temperatura, mayor será el nivel de tensión que puede producirse. Un choque térmico puede resultar de un cambio rápido de temperatura, provocando grietas o roturas.

Cuando un material se calienta o enfría rápidamente, la temperatura de la superficie y la del interior presentan una diferencia. El calentamiento o enfriamiento rápido provoca, respectivamente, una dilatación o contracción térmica; este movimiento localizado del material genera tensiones térmicas. Imaginemos que calentamos un cilindro: primero, la superficie aumenta de temperatura, mientras que el centro mantiene la misma temperatura inicial. Tras un tiempo, el centro del cilindro alcanzará la misma temperatura que la superficie. Durante el calentamiento, la superficie está relativamente más caliente y se dilata más que el centro. Un ejemplo de esto son los empastes dentales, que pueden causar estrés térmico en la boca. A veces, los dentistas utilizan empastes con coeficientes de dilatación térmica diferentes al del esmalte dental; los empastes se dilatan más rápido que el esmalte y provocan dolor en la boca. ^{[ 1 ]}

El material se expandirá o contraerá según su coeficiente de dilatación térmica. Mientras el material pueda moverse libremente, se expandirá o contraerá sin generar tensiones. Sin embargo, al fijarlo a un cuerpo rígido en varios puntos, pueden generarse tensiones térmicas en la región geométricamente restringida. Esta tensión se calcula multiplicando la variación de temperatura, el coeficiente de dilatación térmica del material y su módulo de Young (véase la fórmula a continuación).${\displaystyle E}$es el módulo de Young ,${\displaystyle \alpha }$es el coeficiente de expansión térmica ,${\displaystyle T_{0}}$es la temperatura inicial y${\displaystyle T_{f}}$es la temperatura final. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

${\displaystyle \sigma =E\alpha \left(T_{f}-T_{0}\right)=E\alpha \Delta {T}}$

Cuando${\displaystyle T_{f}}$es mayor que${\displaystyle T_{0}}$, las restricciones ejercen una fuerza de compresión sobre el material. Lo contrario ocurre durante el enfriamiento; cuando${\displaystyle T_{f}}$es menor que${\displaystyle T_{0}}$La tensión será de tracción. Un ejemplo de soldadura implica el calentamiento y enfriamiento del metal, lo cual es una combinación de expansión térmica, contracción y gradientes de temperatura. Después de un ciclo completo de calentamiento y enfriamiento, el metal presenta tensiones residuales alrededor de la soldadura.

Esto se debe a una combinación de un gran gradiente de temperatura debido a la baja conductividad térmica, además de un cambio rápido de temperatura en materiales frágiles. El enfriamiento rápido de la superficie provoca tensiones superficiales que favorecen la formación y propagación de grietas. Los materiales cerámicos suelen ser susceptibles al choque térmico . ^{[ 2 ]} Un ejemplo es cuando el vidrio se calienta a una temperatura alta y luego se enfría rápidamente en agua fría. A medida que la temperatura del vidrio desciende rápidamente, se inducen tensiones que provocan fracturas en el cuerpo del vidrio, que pueden verse como grietas o incluso roturas en algunos casos.