Dilatazione termica

Spieghiamo cosa è la dilatazione termica, i tipi che esistono e diamo diversi esempi

Dilatazione termica dell'acqua

Cos'è la dilatazione termica?

IL Dilatazione termica o L'espansione termica è l'aumento delle dimensioni dei corpi quando si riscaldano. Succede con quasi tutti i materiali, tranne alcuni che si espandono quando si congelano, come acqua e acido acetico, ad esempio.

La spiegazione del fenomeno sta nell'agitazione termica delle particelle. Secondo la teoria cinetica, le molecole che costituiscono le sostanze non sono a riposo, ma in movimento permanente.

Nei solidi le particelle oscillano attorno a un punto fisso, ma aumentando la temperatura, l'ampiezza dell'oscillazione cresce e di conseguenza l'oggetto si espande.

Questa proprietà dei materiali di espansione con la temperatura viene utilizzata in molte applicazioni, ad esempio nel fluido e nelle strisce bimetalliche, questi sono piegati in un certo modo aumentando la temperatura e in questo modo i circuiti possono essere aperti o chiusi.

Tuttavia, a volte la dilatazione termica provoca inconvenienti, come nel caso delle resine usate per trattare il decadimento dentale. Queste resine si espandono con il calore più velocemente dei denti, causando disagio quando le bevande calde vengono ingerite.

Se l'espansione termica non viene presa in considerazione quando si effettua il design, il pezzo o l'oggetto possono perdere funzionalità quando per qualche motivo la temperatura aumenta.

Tipi di dilatazione termica

Questi binari ferroviari sono costruiti lasciando un divario o di gap, in modo che la dilatazione termica non causerà tensioni interne che deformano le rotaie

La maggior parte dei materiali si espande durante il riscaldamento, ma alcuni fanno il contrario, quindi in linea di principio ci sono due tipi di espansione termica:

• Il più frequente, che si verifica quando il Il materiale aumenta semplicemente le sue dimensioni con la temperatura e si chiama dilatazione O Dilatazione termica.
• Espansione termica negativa, Se la sostanza scrolla le spalle quando.

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Secondo le dimensioni predominanti nell'oggetto, l'espansione termica può essere lineare, superficiale o volumetrico. Ad esempio, se si dispone di un filo o una barra sottile, l'oggetto è allungato e la dilatazione è lineare, poiché la lunghezza viene modificata principalmente.

D'altra parte, quando un foglio sottile viene riscaldato, ciò che aumenta è la sua area superficiale, mentre un oggetto tridimensionale aumenta il suo volume. Per ciascuno di questi casi esiste una semplice equazione che viene soddisfatta in un buon intervallo di temperatura.

1. Dilatazione lineare

La variazione della lunghezza di un'asta, della barra o del filo sottile è indicata come ΔL ed è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura Δt e alla lunghezza originale l_O:

ΔL = α⋅l_OΔt

Dove:

• ΔL = lunghezza finale - lunghezza iniziale = l_F - L_O
• ΔT = temperatura finale - temperatura iniziale = T_F - T_O
• α è la costante di proporzionalità, chiamata coefficiente di espansione lineare , positivo se la lunghezza aumenta con la temperatura.

I valori α per le diverse sostanze, nelle unità inverse di temperatura, sono quasi sempre a 20 ºC, sebbene il valore rimanga costante in un buon intervallo di temperatura.

L'equazione precedente può essere riscritta per calcolare direttamente la lunghezza finale:

L_F = L_O + αl_OΔT = l_O(1 + αΔT)

2. Dilatazione superficiale

Analogo all'equazione precedente, per una lamina con superficie iniziale s_O , Si può dimostrare che la nuova superficie s_F Esso è dato da:

S_F = S_O + 2α_O Δt

3. Dilatazione volumetrica

Infine, per un volume iniziale dell'oggetto V V_O , Il nuovo volume V_F È:

V_F = V_O + 3α v_O Δt

Esempi di dilatazione termica

Aria calda in un pallone

L'aria all'interno del globo si espande quando riscaldata. È conveniente non avvicinarlo troppo alla fiamma

Quando si riscuote l'aria all'interno di un palloncino, si gonfia, perché il gas all'interno si espande a causa dell'aumento della temperatura. Viene facilmente controllato coprendo una bottiglia di vetro con un palloncino sgonfio, che è immerso in acqua calda. Si vede presto che il pallone inizia a gonfiarsi.

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Giunti di espansione su marciapiedi e strade

Tavola di espansione a forma di denti su un ponte in cemento

Nella costruzione di marciapiedi e rotte del traffico, viene lasciato un margine per i giunti di espansione, costituito da una separazione tra le lastre in modo che, quando la temperatura aumenta, non si rompono.

Sui ponti di autostrada e cemento, gli spazi vengono lasciati con materiale flessibile o con giunti di espansione sotto forma di denti che si alzano l'uno con l'altro, lasciando gli spazi. In questo modo c'è un margine per il calcestruzzo per espandersi e contrarsi con le variazioni di temperatura.

Fratture in vetro

Il vetro si rompe prima di improvvisi cambiamenti di temperatura. Se un vetro freddo è riempito con acqua molto calda, il materiale si riscalda, causando l'espansione in alcuni punti, il che provoca tensioni interne che portano a fratture.

Contrariamente a ciò che si pensa, il vetro spesso si spezza più facilmente del vetro sottile. È dovuto al fatto che più sottile è il materiale, più veloce è distribuito il calore, quindi non c'è tempo per apparire le tensioni interne.

Congelamento dell'acqua

L'acqua è un esempio di espansione termica negativa, cioè si espande durante il raffreddamento, un fenomeno che si verifica tra 0 e 4 ºC. Come è noto, quando si congela una bottiglia d'acqua completamente piena, si spezzerà.

Tuttavia, questa qualità dell'acqua rende possibile per lo sfondo dei fiumi e del lago.

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Mentire elettrica

I cavi di posa elettrici non sono posizionati in una linea retta tra due pali, ma lasciando un po 'di margine per appendere un po', formando una curva. È perché, quando il tempo diventa molto freddo, il cablaggio tende a contrarsi.

D'altra parte, quando il tempo è molto caldo, è comune vedere che i cavi di posa elettrici si rilassano e appendono molto.

Rivetti dell'aeromobile

Negli aeroplani vengono utilizzati in alluminio fabbricato per unire le parti e sono sempre resi più grandi del foro corrispondente. Quindi, prima di metterli al loro posto, devi contrattarli, raffreddarli con ghiaccio secco.

Ci sono molte ragioni per cui i rivetti sono preferiti una volta dalla saldatura per gli aeroplani. Ad esempio, il tipo di alluminio utilizzato nella produzione di aeromobili è difficile da saldare e anche se viene raggiunto, la saldatura finisce per indebolire il materiale. D'altra parte, è più facile ispezionare e riparare i rivetti rispetto alle saldature.

Esercizio risolto

Una bordo sottile di bronzo misura 0.5 m di lunghezza a 20.0 ºC. Calcola la lunghezza dell'asta quando riscaldato a 50.0 ºC, sapendo che il coefficiente di dilatazione lineare del bronzo a 20 ºC è: 19 × 10^-6 ºC^-1 .

Soluzione

Poiché la barra è sottile, si applica l'equazione per l'espansione lineare:

L_F = L_O (1 + αΔT)

È sufficiente sostituire i valori che compaiono nell'istruzione:

ΔT = (50,0 −20,0) ºC = 30,0 ºC

L_F = 0.5 (1 + 19 × 10^-6 × 30) M = 0.500285 m