COS'È LA DILATAZIONE VOLUMETRICA? (CON ESEMPI) - FISICO - 2024

L' espansione del volume è un fenomeno fisico che implica un cambiamento nelle tre dimensioni di un corpo. Il volume o le dimensioni della maggior parte delle sostanze aumentano quando sono sottoposte a calore; Questo è un fenomeno noto come espansione termica, tuttavia ci sono anche sostanze che si contraggono quando riscaldate.

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

La forma di alcuni solidi viene distorta quando viene riscaldata e può espandersi in alcune direzioni e contrarsi 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 dimensione particolare, come la lunghezza, la larghezza o l'altezza del corpo.
• La dilatazione superficiale è quella in cui predomina la variazione in due delle tre dimensioni.
• Infine, la dilatazione volumetrica implica una variazione nelle tre dimensioni di un corpo.

Concetti di base relativi alla dilatazione termica

Energia termica

La materia è composta da atomi in continuo movimento, in movimento o in vibrazione. L'energia cinetica (o di movimento) con cui si muovono gli atomi è chiamata energia termica, più velocemente si muovono, più energia termica hanno.

Caldo

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

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

Temperatura

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

Due corpi in reciproco contatto o separati da un mezzo adatto (conduttore di calore) saranno alla stessa temperatura se non c'è flusso di calore tra di loro. Allo stesso modo, un corpo X avrà una temperatura più alta di un corpo Y se il calore fluisce da X a Y.

Quali sono le proprietà di base della dilatazione termica?

È chiaramente correlato a un cambiamento di temperatura, maggiore è la temperatura, maggiore è l'espansione. Dipende anche dalla struttura interna del materiale, in un termometro la dilatazione del mercurio è molto maggiore della dilatazione 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, gli atomi o le molecole sono strettamente uniti, ma la loro energia cinetica (sotto forma di piccole e rapide vibrazioni) separa gli atomi o le molecole l'uno dall'altro.

Questa separazione tra atomi vicini diventa sempre maggiore e si traduce in un aumento delle dimensioni del solido.

Per la maggior parte delle sostanze in condizioni ordinarie, non esiste una direzione preferita in cui si verifica l'espansione termica e l'aumento della temperatura aumenterà la dimensione del solido di una certa frazione in ciascuna dimensione.

Dilatazione lineare

L'esempio più semplice di dilatazione è l'espansione in una dimensione (lineare). Sperimentalmente si è riscontrato che la variazione di lunghezza ΔL di una sostanza è proporzionale alla variazione di temperatura ΔT e alla lunghezza iniziale Lo (Figura 1). Possiamo rappresentarlo nel modo seguente:

DL = aLoDT

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

Il coefficiente di espansione lineare è maggiore per i materiali che subiscono una maggiore espansione per ogni grado Celsius in cui la loro temperatura aumenta.

Dilatazione superficiale

Quando si prende un piano all'interno di un corpo solido, in modo che questo piano sia quello che subisce la dilatazione termica (Figura 2), la variazione dell'area ΔA è data da:

DA = 2aA0

dove ΔA è la variazione dell'area iniziale Ao, T è la variazione della temperatura e α è il coefficiente di espansione lineare.

Dilatazione volumetrica

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

DV = bVoDT

dove β è il coefficiente di espansione volumetrica ed è approssimativamente uguale a 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, vengono mostrati i valori dei coefficienti di espansione volumetrica per alcuni materiali.

In generale, le sostanze si espandono con un aumento della temperatura, essendo l'acqua l'eccezione più importante a questa regola. L'acqua si espande quando la sua temperatura aumenta quando è superiore a 4ºC.

Tuttavia, si espande anche quando la sua temperatura diminuisce nell'intervallo da 4 ° C a 0 ° C. Questo effetto può essere osservato quando l'acqua viene messa in frigorifero, l'acqua si espande quando si congela ed è difficile rimuovere il ghiaccio dal suo contenitore a causa di questa espansione.

Esempi

Le differenze nell'espansione volumetrica possono portare a effetti interessanti in una stazione di servizio. Un esempio è la benzina che gocciola in un serbatoio che è stato appena riempito in una giornata calda.

La benzina raffredda il serbatoio d'acciaio quando viene versata e sia la benzina che il serbatoio si espandono con la temperatura dell'aria circostante. Tuttavia, la benzina si espande molto più velocemente dell'acciaio, provocandone la fuoriuscita dal serbatoio.

La differenza di espansione tra la benzina e il serbatoio che la contiene può causare problemi durante la lettura dell'indicatore di livello carburante. La quantità di benzina (massa) che rimane in un serbatoio quando l'indicatore raggiunge il vuoto è molto inferiore in estate che in inverno.

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

Ad esempio, si può considerare un serbatoio del gas pieno in acciaio, con una capacità di 60L. Se la temperatura del serbatoio e della benzina è di 15ºC, quanta benzina verrà versata quando raggiungeranno una temperatura di 35ºC?

Il serbatoio e la benzina aumenteranno di volume all'aumentare della temperatura, ma la benzina aumenterà più del serbatoio. Quindi la benzina versata farà la differenza nelle variazioni di volume. L'equazione dell'espansione volumetrica può quindi essere utilizzata per calcolare le variazioni di volume:

Il volume fuoriuscito dall'aumento della temperatura è quindi:

Combinando queste 3 equazioni in una, abbiamo:

Dalla tabella 2 si ottengono i valori del coefficiente di espansione volumetrica, sostituendo i valori:

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

Bibliografia

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Thermal Expansion of Solids 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. Physics, 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.