Dilatazione termica: coefficiente, tipi ed esercizi
L'espansione termica è l'aumento o la variazione di varie dimensioni metriche (come lunghezza o volume) subite da un corpo o da un oggetto fisico. Questo processo avviene a causa dell'aumento della temperatura che circonda il materiale. Nel caso della dilatazione lineare, questi cambiamenti si verificano in una singola dimensione.
Il coefficiente di questa dilatazione può essere misurato confrontando il valore della quantità prima e dopo il processo. Alcuni materiali subiscono l'opposto dell'espansione termica; cioè diventa "negativo". Questo concetto propone che alcuni materiali si contraggano quando esposti a determinate temperature.
Come per i solidi, un coefficiente di espansione lineare viene utilizzato per descrivere la sua espansione. D'altra parte, un coefficiente di espansione volumetrico viene utilizzato per i liquidi per eseguire i calcoli.
Nel caso di solidi cristallizzati, se è isometrico, la dilatazione sarà generale in tutte le dimensioni del cristallo. Se non è isometrico, si possono trovare diversi coefficienti di espansione lungo il cristallo e cambierà le sue dimensioni quando si modifica la temperatura.
Coefficiente di espansione termica
Il coefficiente di espansione termica (Y) è definito come il raggio di variazione attraverso il quale un materiale è passato a causa della variazione della sua temperatura. Questo coefficiente è rappresentato dal simbolo α per i solidi e β per i liquidi, ed è guidato dal Sistema internazionale di unità.
I coefficienti di espansione termica variano quando si tratta di solidi, liquidi o gas. Ognuno ha una particolarità diversa.
Ad esempio, la dilatazione di un solido può essere vista lungo una lunghezza. Il coefficiente volumetrico è uno dei più basilari per quanto riguarda i fluidi e le modifiche sono notevoli in tutte le direzioni; Questo coefficiente viene anche utilizzato per calcolare l'espansione di un gas.
Espansione termica negativa
L'espansione termica negativa si verifica in alcuni materiali che, invece di aumentare le loro dimensioni a temperature elevate, si contraggono a causa delle basse temperature.
Questo tipo di espansione termica è solitamente visto in sistemi aperti in cui si osservano interazioni direzionali -come nel caso del ghiaccio- o in composti complessi -come si verifica con alcune zeoliti, Cu2O, tra gli altri.
Allo stesso modo, alcune ricerche hanno dimostrato che l'espansione termica negativa si verifica anche nei reticoli a componente singolo in forma compatta e con un'interazione di forza centrale.
Un chiaro esempio di espansione termica negativa può essere visto quando si aggiunge ghiaccio ad un bicchiere d'acqua. In questo caso, l'alta temperatura del liquido sul ghiaccio non causa alcun aumento di dimensioni, ma piuttosto riduce le dimensioni della stessa.
tipo
Quando si calcola la dilatazione di un oggetto fisico, si deve tener presente che, a seconda della variazione di temperatura, detto oggetto può aumentare o contrarre la sua dimensione.
Alcuni oggetti non richiedono un drastico cambiamento di temperatura per modificare le loro dimensioni, quindi è probabile che il valore generato dai calcoli sia medio.
Come tutti i processi, l'espansione termica è suddivisa in diversi tipi che spiegano separatamente ciascun fenomeno. Nel caso dei solidi, i tipi di espansione termica sono la dilatazione lineare, la dilatazione volumetrica e la dilatazione superficiale.
Dilatazione lineare
Nella dilatazione lineare, predomina una singola variazione. In questo caso, l'unica unità che subisce una modifica è l'altezza o la larghezza dell'oggetto.
Un modo semplice per calcolare questo tipo di espansione è confrontando il valore della quantità prima del cambiamento di temperatura con il valore della quantità dopo il cambiamento di temperatura.
Dilatazione volumetrica
Nel caso della dilatazione volumetrica, il modo per calcolarlo è confrontando il volume del fluido prima del cambiamento di temperatura con il volume del fluido dopo il cambiamento di temperatura. La formula per calcolarlo è:
Dilatazione superficiale o area
Nel caso della dilatazione superficiale, si osserva l'aumento dell'area di un corpo o di un oggetto quando si verifica un cambiamento della sua temperatura a 1 ° C.
Questa dilatazione funziona per i solidi. Se hai anche il coefficiente lineare, puoi vedere che le dimensioni dell'oggetto saranno due volte più grandi. La formula per calcolarlo è:
A f = A 0 [1 + YA (T f - T 0 )]
In questa espressione:
γ = coefficiente di espansione dell'area [° C-1]
A 0 = Area iniziale
A f = Area finale
T 0 = temperatura iniziale.
T f = Temperatura finale
La differenza tra la dilatazione dell'area e la dilatazione lineare è che nella prima si verifica un cambiamento di incremento nell'area dell'oggetto, e nel secondo la variazione è di una singola unità di misura (come può essere la lunghezza o la larghezza dell'oggetto fisico).
Esempi
Primo esercizio (dilatazione lineare)
Le rotaie che formano la pista di un treno costruito in acciaio hanno una lunghezza di 1500 m. Quale sarà la lunghezza nel momento in cui la temperatura va da 24 a 45 ° C?
soluzione
dati:
L0 (lunghezza iniziale) = 1500 m
L f (lunghezza finale) =?
A (temperatura iniziale) = 24 ° C
T f (temperatura finale) = 45 ° C
α (coefficiente di dilatazione lineare corrispondente all'acciaio) = 11 x 10-6 ° C-1
I dati vengono sostituiti nella seguente formula:
Tuttavia, per prima cosa dobbiamo conoscere il valore della differenza di temperatura, al fine di includere questi dati nell'equazione. Per ottenere questo differenziale, sottrarre la temperatura più alta dal più basso.
Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C
Una volta che questa informazione è nota, è possibile utilizzare la formula precedente:
Lf = 1500 m (1 + 21 ° C, 11 x 10-6 ° C-1)
Lf = 1500 m (1 + 2, 31 x 10-4)
Lf = 1500 m (1.000231)
Lf = 1500, 3465 m
Secondo esercizio (dilatazione superficiale)
In una scuola superiore una vendita di vetro ha una superficie di 1, 4 m ^ 2, se la temperatura è di 21 ° C. Quale sarà la tua area finale quando la temperatura sale a 35 ° C?
soluzione
Af = A0 [1 + (Tf - T0)]
Af = 1, 4 m2 [1] 204, 4 x 10-6]
Af = 1, 4 m2. 1.0002044
Af = 1.40028616 m2
Perché si verifica la dilatazione?
Tutti sanno che tutto il materiale è composto da varie particelle subatomiche. Modificando la temperatura, alza o abbassa, questi atomi iniziano un processo di movimento che può cambiare la forma dell'oggetto.
Quando la temperatura aumenta, le molecole iniziano a muoversi rapidamente a causa dell'aumento dell'energia cinetica e, pertanto, la forma o il volume dell'oggetto aumenterà.
Nel caso di temperature negative accade il contrario, in questo caso il volume dell'oggetto è generalmente contratto dalle basse temperature.
