Cos'è la dilatazione volumetrica? (Con esempi)

IL dilatazione volumetrica È un fenomeno fisico che implica una variazione delle tre dimensioni di un corpo. Il volume o le dimensioni della maggior parte delle sostanze aumentano quando sono soggette a calore; Questo è un fenomeno noto come dilatazione termica, tuttavia ci sono anche sostanze che contraggono quando riscaldate.

Sebbene le variazioni del volume siano relativamente piccole per i solidi, sono di grande importanza tecnica, principalmente in situazioni in cui si desidera unire materiali che si espandono in modo diverso.

La forma di alcuni solidi soffre di distorsione quando riscaldata e può espandersi in alcune direzioni e contrarre in altre. Tuttavia, quando c'è solo dilatazione in un certo numero di dimensioni, esiste una classificazione per tali espansioni:

• La dilatazione lineare si verifica quando predomina la variazione in una particolare dimensione, come la lunghezza, larga o alta del corpo.
• La dilatazione superficiale è che laddove la variazione prevale in due delle tre dimensioni.
• Infine, la dilatazione volumetrica implica una variazione delle tre dimensioni di un corpo.

[TOC]

Concetti di base relativi alla dilatazione termica

Energia termica

La questione è formata da atomi che sono in movimento continuo, che si muovono o vibrano. Energia cinetica (o movimento) con cui si muovono gli atomi di energia termica, più velocemente si muovono, maggiore è l'energia termica che hanno.

Calore

Il calore è l'energia termica trasferita tra due o più sostanze o da una porzione di sostanza all'altra su una scala macroscopica. Ciò significa che un corpo caldo può dare parte della sua energia termica e influenzare un corpo vicino ad esso.

La quantità di energia termica trasferita dipende dalla natura del corpo stretto e dall'ambiente che li separa.

Temperatura

Il concetto di temperatura è essenziale per studiare gli effetti termici, la temperatura di un corpo è la misura della sua capacità di trasferire calore ad altri corpi.

Può servirti: entalpia di reazione: definizione, termochimica, esercizi

Due corpi a contatto reciproco o separati con un mezzo adeguato (conduttore di calore) avverranno alla stessa temperatura se non vi è alcun flusso di calore tra i due. Allo stesso modo, un corpo x sarà a una temperatura maggiore di quella di un corpo e se il calore scorre da x a e.

Quali sono le proprietà di base della dilatazione termica?

È chiaramente correlato a una variazione di temperatura, ad un'espansione di temperatura più elevata. Dipende anche dalla struttura interna del materiale, in un termometro, l'espansione del mercurio è molto maggiore dell'espansione del vetro che lo contiene.

Qual è la causa fondamentale della dilatazione termica?

Un aumento della temperatura implica un aumento dell'energia cinetica dei singoli atomi in una sostanza. In un solido, a differenza di un gas, atomi o molecole sono strettamente insieme, ma la loro energia cinetica (sotto forma di vibrazioni piccole e veloci) si separa l'uno dall'altro ad atomi o molecole.

Questa separazione tra atomi vicini diventa aumentata e provoca un aumento della dimensione solida.

Per la maggior parte delle sostanze in condizioni ordinarie, non vi è alcuna direzione preferenziale in cui si verifica la dilatazione termica e l'aumento della temperatura aumenterà le dimensioni del solido di una determinata frazione in ogni dimensione.

Dilatazione lineare

L'esempio più semplice di espansione è l'espansione in una dimensione (lineare). Sperimentalmente si è scoperto che la variazione di lunghezza ΔL di una sostanza è proporzionale alla variazione di temperatura Δt e alla lunghezza iniziale LO (Figura 1). Possiamo rappresentare questo come segue:

Dl = alodt

dove α è un coefficiente di proporzionalità chiamato coefficiente di dilatazione lineare ed è caratteristico di ciascun materiale. Alcuni valori di questo coefficiente sono mostrati nella tabella A.

Il coefficiente di dilatazione lineare è più elevato per i materiali che sperimentano una maggiore espansione per ciascun grado centigrado che aumenta la sua temperatura.

Può servirti: giovane modulo: calcolo, applicazioni, esempi, esercizi

Dilatazione superficiale

Quando un piano viene preso all'interno di un corpo solido, in modo che questo piano sia quello che subisce l'espansione termica (Figura 2), il cambiamento nell'area ΔA è dato da:

Da = 2aa0

Dove ΔA è la variazione nell'area iniziale AO, t è la variazione di temperatura e α è il coefficiente di dilatazione lineare.

Dilatazione volumetrica

Come nei casi precedenti, la variazione del volume ΔV può essere approssimata con il rapporto (Figura 3). Questa equazione è generalmente scritta come segue:

Dv = bvodt

dove β è il coefficiente di dilatazione volumetrica ed è approssimativamente uguale a 3∝ λ∝ τ∝ ßλ∝ 2 I valori dei coefficienti di espansione volumetrica per alcuni materiali sono mostrati.

In generale, le sostanze si espanderanno sotto un aumento della temperatura, l'acqua è l'eccezione più importante a questa regola. L'acqua si espande quando la sua temperatura aumenta quando è maggiore di 4 ° C.

Tuttavia, si espande anche diminuendo la sua temperatura all'intervallo da 4 ° C a 0 ° C. Questo effetto può essere osservato quando l'acqua viene inserita all'interno di un frigorifero, l'acqua si espande durante il congelamento ed è difficile estrarre il ghiaccio dal suo contenitore mediante tale espansione.

Esempi

Le differenze nella dilatazione volumetrica possono portare a effetti interessanti in una stazione di benzina. Un esempio è il gocciolamento della benzina in un serbatoio che è stato appena riempito per una giornata calda.

La benzina raffredda il serbatoio in acciaio quando viene versato e sia la benzina che il serbatoio si dilatano con la temperatura dell'aria circostante. Tuttavia, la benzina si dilata molto più velocemente dell'acciaio, e quindi si verifica una goccia fuori dal serbatoio.

Può servirti: calore sensibile: concetto, formule ed esercizi risolti

La differenza di dilatazione tra benzina e serbatoio che contiene può causare problemi leggendo l'indicatore del livello del carburante. La quantità di benzina (massa) che rimane in un serbatoio quando l'indicatore raggiunge a livello di vuoto è molto più bassa in estate che in inverno.

La benzina ha lo stesso volume in entrambe le stazioni quando si accende la luce di avvertimento, ma poiché la benzina si dilata durante l'estate, ha una massa inferiore.

Ad esempio, può essere preso in considerazione un serbatoio di benzina in acciaio completo, con una capacità di 60L. Se la temperatura del serbatoio e della benzina è di 15 ° C, quanta benzina si riverserà al momento della temperatura di 35 ° C?

Il serbatoio e la benzina aumenteranno di volume a causa dell'aumento della temperatura, ma la benzina aumenterà più del serbatoio. In modo che la benzina versata sarà la differenza nelle variazioni del volume. L'equazione di dilatazione volumetrica può quindi essere utilizzata per calcolare le variazioni del volume:

Il volume versato dall'aumento della temperatura è quindi:

Combinando queste 3 equazioni in una, hai:

La tabella 2 ha ottenuto i valori del coefficiente di dilatazione volumetrica, sostituendo i valori:

Sebbene questa quantità di benzina versata sia relativamente insignificante rispetto a un serbatoio da 60 L, l'effetto è sorprendente, poiché la benzina e l'acciaio si espandono molto velocemente.

Bibliografia

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Espansione temale di solidi ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Material Science Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday d., Resnick r., Krane K. Fisica, volume 1. Wiley, 2001.
4. Martin c. Martin, Charles a. Hewett Elements of Classical Physics Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Calore e termodinamica. Editoriale Aguilar, 1979.