Casi todas las sustancias se expanden al calentarse y se contraen al enfriarse. Sin embargo, el agua es una excepción:

• A su densidad máxima (4 °C / 39,1 °F), el agua se expande al enfriarse por debajo de este punto.
• Este fenómeno explica por qué el hielo flota sobre el agua líquida.

1. Dilatación lineal: Expansión en una sola dirección.
2. Expansión volumétrica: Expansión en tres dimensiones.

El coeficiente de dilatación térmica mide cuánto se expande un material al aumentar 1 °C de temperatura.

Aplicaciones y Problemas de la Expansión Térmica Ventajas

• Remaches y uniones metálicas: Se calientan antes de aplicarse para que, al enfriarse, se contraigan y ajusten con firmeza.
• Llantas metálicas en ruedas de carros: Se calientan antes de colocarse para que, al enfriarse, se ajusten con precisión.

• Tensiones térmicas: Pueden causar grietas en estructuras metálicas.
• Desalineación de componentes mecánicos.
• Expansión de tuberías y cables eléctricos en condiciones extremas.

Para prevenir daños estructurales, se diseñan juntas de dilatación en puentes y estructuras metálicas.

La Tabla 1 muestra valores típicos de expansión térmica en diferentes materiales.

El calor es una manifestación de la energía con múltiples aplicaciones en la vida cotidiana e industrial. Sus efectos incluyen la transferencia de energía, la expansión térmica y la conversión de energía en trabajo mecánico.

El conocimiento sobre calor y transferencia térmica es esencial en disciplinas como la ingeniería, la meteorología y la termodinámica.

Imagen Térmica: Principios y Funcionamiento

¿Qué es la Imagen Térmica?

Figura : Imágen térmica de una cebra

A diferencia de los métodos de visión nocturna con poca luz, que requieren luz ambiente para generar una imagen, la imagen térmica no necesita ninguna fuente de luz externa.

Las cámaras térmicas operan bajo el principio de que todos los objetos emiten energía infrarroja como una función de su temperatura. En términos generales:

• Cuanto más caliente está un objeto, más radiación infrarroja emite.
• Cuanto más frío, menor radiación infrarroja.

Una cámara termográfica detecta esta radiación infrarroja y genera una imagen electrónica basada en las diferencias de temperatura de los objetos en la escena. Como no dependen de la luz reflejada, las cámaras térmicas pueden operar en total oscuridad, lo que las hace ideales para aplicaciones de seguridad, rescate y monitoreo industrial.

Las cámaras térmicas utilizan un detector infrarrojo o microbolómetro para medir la radiación térmica emitida por los objetos.

1. Detección de Radiación Térmica

   • Un sensor térmico detecta la radiación infrarroja emitida por cada objeto en la escena.
   • El detector está compuesto por una matriz de píxeles sensibles al calor.

2. Conversión de Energía Térmica en Señales Eléctricas

   • Cada píxel detecta la cantidad de radiación térmica recibida y la convierte en señales eléctricas proporcionales a la temperatura del objeto.

3. Generación de la Imagen Térmica

   • Un procesador interno asigna un valor de color a cada píxel en función de su temperatura.
   • Colores fríos (azul y verde): Representan temperaturas más bajas.
   • Colores cálidos (rojo y amarillo): Representan temperaturas más altas.
   • Se genera una imagen térmica que permite visualizar y distinguir las diferencias de temperatura entre los objetos de la escena.

Existen dos tipos principales de detectores térmicos:

1. Detectores No Refrigerados

   • Funcionan a temperatura ambiente.
   • Utilizan microbolómetros, que son sensores de infrarrojo sin necesidad de enfriamiento.
   • Son más compactos y accesibles, aunque con menor sensibilidad en comparación con los detectores refrigerados.

2. Detectores Refrigerados

   • Mayor sensibilidad y resolución térmica.
   • Requieren refrigeración criogénica a temperaturas extremadamente bajas (por debajo de 200K o -73°C).
   • Utilizados en aplicaciones científicas, detección de gases, industria aeroespacial y análisis térmico avanzado.

Para minimizar el ruido térmico y mejorar la sensibilidad, los detectores refrigerados utilizan distintos métodos de enfriamiento:

• Enfriamiento por Nitrógeno Líquido (LN₂)

  • Mantiene el detector a -196°C (-321°F) mediante nitrógeno líquido.
  • Proporciona una alta estabilidad térmica, pero requiere recargas periódicas de nitrógeno.

• Enfriamiento por Ciclo Cerrado (Stirling)

  • Utiliza un sistema de refrigeración mecánica sin necesidad de nitrógeno líquido.
  • Más conveniente y autónomo, pero puede ser más costoso y complejo de mantener.

Las imágenes térmicas tienen una amplia variedad de usos en diversas industrias:

Detección de intrusos en condiciones de oscuridad total.
Identificación de personas ocultas detrás de obstáculos como arbustos o paredes delgadas.

Localización de personas en desastres naturales o estructuras colapsadas.
Detección de incendios ocultos en bosques o edificios.

Identificación de fugas térmicas en sistemas de climatización.
Detección de fallas eléctricas y sobrecalentamientos en circuitos eléctricos.

Uso en radares y sistemas de misiles guiados por calor.
Análisis térmico de estructuras aeroespaciales.

Cámaras especializadas pueden identificar emisiones de gases invisibles para el ojo humano.
Aplicaciones en control de contaminación y monitoreo industrial.

Los sensores de infrarrojos están fabricados con materiales semiconductores especializados que permiten detectar radiación térmica con alta precisión.

Los más comunes incluyen:

• Teluro de Mercurio Cadmio (HgCdTe)
• Antimonio de Indio (InSb)

Estos materiales son altamente sensibles a la radiación infrarroja y se utilizan en aplicaciones que requieren detección térmica precisa.

Términos destacados:

La imagen térmica ha revolucionado múltiples industrias al permitir la detección de diferencias de temperatura en total oscuridad y condiciones adversas.

No requiere luz visible para funcionar.
Permite la detección de calor incluso a través de humo o niebla.
Existen cámaras con detectores refrigerados y no refrigerados, cada uno con ventajas específicas según la aplicación.

Con la evolución de la tecnología, las cámaras térmicas continúan mejorando en resolución, eficiencia energética y accesibilidad, lo que ampliará aún más su uso en seguridad, ciencia y monitoreo ambiental.