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• Definizione di espansione termica
• Esempi di espansione termica
• Applicazioni
• Molto di più

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Definizione di espansione termica

La maggior parte delle sostanze solide, liquide e gassose si espande al riscaldamento e si contrae al raffreddamento. Le loro espansioni e contrazioni termiche sono di solito piccole e non si notano. Tuttavia, queste espansioni e contrazioni sono importanti nella nostra vita quotidiana.

L’energia cinetica delle molecole di un oggetto dipende dalla sua temperatura. Le molecole di un solido vibrano con un’ampiezza maggiore ad alta temperatura che a bassa temperatura. Così, con il riscaldamento, l’ampiezza di vibrazione degli atomi o delle molecole di un oggetto aumenta. Essi si spingono l’un l’altro più lontano man mano che l’ampiezza delle vibrazioni aumenta. L’espansione termica si traduce in un aumento della lunghezza, della larghezza e dello spessore di una sostanza.

Vediamo ora il video :

Qual è la differenza tra l’espansione termica lineare e l’espansione termica di volume?

L’espansione termica lineare nei solidi

È stato osservato che i solidi si espandono al riscaldamento e la loro espansione è quasi uniforme in un ampio intervallo di temperature. Consideriamo un’asta metallica di lunghezza L° ad una certa temperatura T°. Lasciate che la sua lunghezza sul riscaldamento ad una temperatura T diventi L. Così

Aumenta la lunghezza dell’asta = ΔL = L – L0

Aumento della temperatura = ΔT = T – T°

Si trova che la variazione di lunghezza ΔL del solido è direttamente proporzionale alla sua lunghezza originale L°, e la variazione di temperatura Δ T. Cioè

ΔL ∝ L0ΔT

ΔL =αL0ΔT …….(1)

L – L0=αL0ΔT

o L =L0(1+αΔT) …..(2)

dove α è chiamato il coefficiente di espansione termica lineare della sostanza. Dall’equazione (1) otteniamo

α = ΔL/L°ΔT

Coefficiente di espansione lineare

Il coefficiente di espansione lineare α di una sostanza è la frazione di aumento della lunghezza per aumento di kelvin della temperatura.

Vedi anche: Scale di temperatura

Formula del coefficiente di espansione lineare

Di seguito la tabella di espansione termica lineare di alcuni materiali:

Espansione termica del volume

Anche il volume di un solido cambia al variare della temperatura e si chiama espansione termica del volume o espansione termica cubica. Consideriamo un volume iniziale solido di V°. Riscaldando il solido a una temperatura T, il suo volume diventa V, quindi

Cambiamento del volume di un solido ΔV = V – V°

cambiamento di temperatura ΔT = T – T°

Come l’espansione lineare, il cambiamento di volume ΔV si trova ad essere proporzionale al suo volume originale V°, e il cambiamento di temperatura ΔT. Così

ΔV ∝ V° ΔT

ΔV=βV° ΔT ……(3)

V – V°=βV° ΔT

V = V°(1 + βΔT)

dove β è il coefficiente di temperatura di espansione del volume. Dall’equazione (3) otteniamo

β = ΔV/V° Δ

Coefficiente di espansione di volume

Il coefficiente di temperatura di espansione di volume β è la variazione frazionaria del suo volume per variazione kelvin di temperatura.

Vedi anche: Energia radiante

Formula del coefficiente di espansione di volume

I coefficienti di espansione lineare e di espansione di volume sono correlati dall’equazione:

β = 3 α

I valori di β per diverse sostanze sono dati nella tabella:

Conseguenze dell’espansione termica

Perché si lasciano dei vuoti nei binari ferroviari? L’espansione dei solidi può danneggiare i ponti, i binari ferroviari e le strade perché sono costantemente sottoposti a cambiamenti di temperatura. Perciò durante la contrazione si provvede all’espansione e alla contrazione con la temperatura. Per esempio, i binari ferroviari si piegano in una calda giornata estiva a causa dell’espansione se non vengono lasciati spazi vuoti tra le sezioni.

Anche i ponti fatti di travi in acciaio si espandono durante il giorno e si contraggono durante la notte. Si piegheranno se le loro estremità sono fissate. Per permettere l’espansione termica, la trave poggia su rulli nello spazio lasciato per l’espansione.

Le linee di trasmissione in testa sono anche dotate di una certa quantità di flessione in modo che possano contrarsi in inverno senza rompersi.

Applicazioni dell’espansione termica nella vita quotidiana

L’espansione termica è usata nella nostra vita quotidiana.

Termometri

Nei termometri, la dilatazione termica è usata nelle misurazioni della temperatura.

Rimuovere i coperchi stretti

Per aprire il tappo di una bottiglia che è abbastanza stretto, immergervi acqua calda per un minuto circa. Il tappo di metallo si espande e si allenta. Ora sarebbe facile girarlo per aprirlo.

Rivettatura

Per unire saldamente le piastre d’acciaio, i rivetti rossi caldi sono forzati attraverso i fori nelle piastre. L’estremità dei rivetti caldi viene poi martellata. Raffreddandosi, i rivetti si contraggono e portano le piastre ben strette.

Fissaggio di pneumatici metallici su ruote di legno

I cerchi di ferro sono fissati sulle ruote di legno dei carri. I cerchioni di ferro sono riscaldati. La dilatazione termica permette loro di scivolare sulla ruota di legno. L’acqua viene versata su di esso per raffreddarlo. Il cerchio si contrae e diventa stretto sulla ruota.

Striscia bimetallica

Una striscia bimetallica consiste in due strisce sottili di metalli diversi come l’ottone e il ferro uniti insieme. Al riscaldamento della striscia, l’ottone si espande più del ferro. Questa espansione ineguale causa la piegatura della striscia.

Le strisce bimetalliche sono utilizzate per vari scopi. I termometri bimetallici sono usati per misurare la temperatura, specialmente nei forni e nelle fornaci. Le strisce bimetalliche sono usate nei termostati. Un termostato bimetallico è usato per controllare la temperatura della bobina del riscaldatore in un ferro da stiro.

Termostati

Il termostato è un dispositivo di regolazione del calore che funziona sul principio di espansione termica.
Stai sintonizzato con noi per vedere le applicazioni di espansione:

Esempi di espansione termica

Ecco alcuni esempi di espansione termica nella nostra vita quotidiana.

• Crepe nella strada quando la strada si espande con il riscaldamento.
• Cedimenti nelle linee elettriche.
• Le finestre con telaio in metallo hanno bisogno di distanziatori in gomma per evitare l’espansione termica.
• Giunti di espansione (come il giunto di due binari ferroviari).
• La lunghezza della barra di metallo che si allunga con il riscaldamento.
• I pneumatici scoppiano nei giorni caldi quando sono pieni d’aria a causa dell’espansione termica.

Espansione termica dei liquidi

Le molecole dei liquidi sono libere di muoversi in tutte le direzioni all’interno del liquido. Riscaldando un liquido, l’ampiezza media di vibrazione delle sue molecole aumenta. Le molecole si spingono a vicenda e hanno bisogno di più spazio da occupare. Questo spiega l’espansione del liquido quando viene riscaldato. L’espansione termica nei liquidi è maggiore di quella dei solidi a causa delle deboli forze tra le loro molecole. Pertanto, il coefficiente di espansione di volume dei liquidi è maggiore di quello dei solidi.

I liquidi non hanno una forma propria definita. Un liquido raggiunge sempre la forma del suo contenitore in cui viene versato. Pertanto, quando un liquido viene riscaldato, sia il liquido che il contenitore subiscono un cambiamento nel loro volume. Così, ci sono due tipi di espansione termica di volume per i liquidi.

• Espansione di volume apparente
• Espansione di volume reale

Espansione anomala dell’acqua

L’acqua al raffreddamento sotto i 4 C° comincia ad espandersi fino a raggiungere 0°C. Raffreddandosi ulteriormente, il suo volume aumenta improvvisamente e si trasforma in ghiaccio a 0°C. Quando il ghiaccio è raffreddato sotto 0°C, si contrae, cioè il suo volume diminuisce come i solidi. Questa insolita espansione dell’acqua è chiamata espansione anomala dell’acqua.

Temi correlati:

• Calore e temperatura
• Equilibrio termico
• Termometri
• Thermodynamics
• Energia interna
• Convezione del calore