DILATAZIONE TERMICA: COEFFICIENTE, TIPOLOGIE ED ESERCIZI - FISICO - 2024

La dilatazione termica è aumentata o la variazione di varie dimensioni metriche (come lunghezza o volume) che subisce un oggetto fisico o un corpo. Questo processo avviene a causa dell'aumento della temperatura che circonda il materiale. Nel caso della dilatazione lineare, questi cambiamenti si verificano in una sola dimensione.

Il coefficiente di questa espansione può essere misurato confrontando il valore della grandezza prima e dopo il processo. Alcuni materiali subiscono l'opposto della dilatazione termica; cioè, diventa "negativo". Questo concetto propone che alcuni materiali si contraggano se esposti a determinate temperature.

Dilatazione termica in acqua

Per i solidi, viene utilizzato un coefficiente di espansione lineare per descrivere la loro espansione. D'altra parte, per i liquidi viene utilizzato un coefficiente volumetrico di espansione per eseguire i calcoli.

Nel caso di solidi cristallizzati, se è isometrico, l'espansione sarà generale in tutte le dimensioni del cristallo. Se non è isometrico, si possono trovare diversi coefficienti di espansione in tutto il vetro e cambierà le sue dimensioni al variare della temperatura.

Coefficiente di dilatazione termica

Il coefficiente di espansione termica (Y) è definito come il raggio di cambiamento attraverso il quale è passato un materiale a causa del cambiamento 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 in termini di fluidi, e le variazioni sono notevoli in tutte le direzioni; Questo coefficiente viene utilizzato anche per calcolare l'espansione di un gas.

Espansione termica negativa

La dilatazione termica negativa si verifica in alcuni materiali che, invece di aumentare di dimensioni con le alte temperature, si contraggono a causa delle basse temperature.

Questo tipo di espansione termica si osserva solitamente in sistemi aperti in cui si osservano interazioni direzionali -come nel caso del ghiaccio- o in composti complessi -come accade con alcune zeoliti, Cu2O, tra gli altri.

Allo stesso modo, alcune ricerche hanno dimostrato che l'espansione termica negativa si verifica anche in reticoli monocomponenti in forma compatta e con un'interazione di forza centrale.

Un chiaro esempio di espansione termica negativa può essere visto quando aggiungiamo ghiaccio a un bicchiere d'acqua. In questo caso, l'alta temperatura del liquido sul ghiaccio non provoca alcun aumento di dimensione, ma piuttosto si riduce la dimensione del ghiaccio.

tipi

Quando si calcola l'espansione di un oggetto fisico, si deve tenere in considerazione che, a seconda della variazione di temperatura, detto oggetto può aumentare o contrarsi di dimensioni.

Alcuni oggetti non richiedono un drastico cambiamento di temperatura per cambiare la loro dimensione, quindi è probabile che il valore restituito dai calcoli sia medio.

Come ogni processo, l'espansione termica è suddivisa in diversi tipi che spiegano separatamente ogni fenomeno. Nel caso dei solidi, i tipi di espansione termica sono espansione lineare, espansione volumetrica ed espansione superficiale.

Dilatazione lineare

Una singola variazione predomina nella dilatazione lineare. 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 dilatazione è confrontare il valore della grandezza prima della variazione di temperatura con il valore della grandezza dopo la variazione di temperatura.

Dilatazione volumetrica

Nel caso dell'espansione volumetrica, il modo per calcolarla è confrontando il volume del fluido prima della variazione di temperatura con il volume del fluido dopo la variazione di temperatura. La formula per calcolarlo è:

Dilatazione della superficie o dell'area

In caso di dilatazione superficiale, si osserva un aumento dell'area di un corpo o di un oggetto a causa di una variazione della sua temperatura a 1 ° C.

Questa espansione funziona per i solidi. Se abbiamo anche il coefficiente lineare, possiamo vedere che la dimensione dell'oggetto sarà 2 volte maggiore. La formula per calcolarlo è:

A _f = A ₀

In questa espressione:

γ = coefficiente di espansione dell'area

A ₀ = area iniziale

A _f = Area finale

T ₀ = temperatura iniziale.

T _f = Temperatura finale

La differenza tra dilatazione dell'area e dilatazione lineare è che nella prima si vede un aumento della variazione dell'area dell'oggetto, e nella seconda la variazione è di una singola unità di misura (come la lunghezza o la larghezza dell'oggetto fisico).

Esempi

Primo esercizio (dilatazione lineare)

I binari che compongono il binario di un treno in acciaio hanno una lunghezza di 1500 m. Quale sarà la longitudine quando la temperatura passerà da 24 a 45 ° C?

Soluzione

Dati:

Lο (lunghezza iniziale) = 1500 m

L _f (lunghezza finale) =?

Tο (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, è necessario prima conoscere il valore del differenziale di temperatura, al fine di includere questi dati nell'equazione. Per ottenere questo differenziale, la temperatura più alta deve essere sottratta dalla più bassa.

Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C

Una volta note queste informazioni, è possibile utilizzare la formula precedente:

Bf = 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)

Bf = 1500,3465 m

Secondo esercizio (dilatazione superficiale)

In una scuola superiore un negozio di vetro ha una superficie di 1,4 m ^ 2, se la temperatura è di 21 ° C. Quale sarà la sua area finale quando la temperatura salirà a 35 ° C?

Soluzione

Af = A0

Af = 1,4 m ² 204,4 x 10 ^-6 ]

Af = 1,4 m ² . 1,0002044

Af = 1.40028616 m ²

Perché si verifica la dilatazione?

Tutti sanno che tutto il materiale è costituito da varie particelle subatomiche. Alterando la temperatura, alzandola o abbassandola, questi atomi iniziano un processo di movimento che può modificare la forma dell'oggetto.

Quando la temperatura viene aumentata, le molecole iniziano a muoversi rapidamente a causa dell'aumento dell'energia cinetica, e quindi la forma o il volume dell'oggetto aumenterà.

In caso di temperature negative accade il contrario, in questo caso il volume dell'oggetto tende a contrarsi per le basse temperature.

Riferimenti

1. Dilatazione lineare, superficiale e volumetrica - Esercizi. Risolto Ripristinato l'8 maggio 2018 da Fisimat: fisimat.com.mx
2. Dilatazione superficiale - Esercizi risolti. Estratto l'8 maggio 2018 da Fisimat: fisimat.com.mx
3. Dilatazione termica. Estratto l'8 maggio 2018 da Encyclopædia Britannica: britannica.com
4. Dilatazione termica. Estratto l'8 maggio 2018 da Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Dilatazione termica. Estratto l'8 maggio 2018 da Lumen Learning: course.lumenlearning.com
6. Dilatazione termica. Estratto l'8 maggio 2018 da The Physics Hypertextbook: physics.info
7. Dilatazione termica. Estratto l'8 maggio 2018 da Wikipedia: en.wikipedia.org.