La Dilatazione Termica

Dilatazione termica lineare

Quasi tutti i materiali mostrano un aumento di volume all’aumentare della temperatura.

Se una dimensione del corpo è molto maggiore delle altre due, il corpo può essere considerato monodimensionale e la dilatazione termica interessa principalmente la dimensione maggiore: si parla in tal caso di dilatazione termica lineare.

Supponiamo di avere un barra metallica di lunghezza iniziale l0, alla temperatura iniziale T0; se aumentiamo la temperatura a T, si nota un aumento della lunghezza della barra di ∆l.

Tale incremento è direttamente proporzionale alla lunghezza iniziale l0, all’incremento di temperatura ∆T = T – T0 e ad un coefficiente lambda λ detto coefficiente di dilatazione lineare caratteristico del materiale:

Δl = l0 ∙ ΔT ∙ λ

La relazione scritta è la legge di dilatazione termica lineare.

Questo fenomeno si manifesta in molte situazioni comuni, come l’allungamento delle rotaie dei treni o dei tratti di viadotti.

La tabella seguente mostra alcuni valori del coefficiente di dilatazione termica lineare per i materiali più comuni:

Materiale Coefficiente di dilatazione
termica lineare
(in °C-1 o K−1)
Acciaio 11×10-6
Alluminio 23×10-6
Ferro 12×10-6
Cemento 12×10-6
Invar (lega nichel e ferro) 1×10-6
Tungsteno 4×10-6
Vetro pirex 3×10-6
Vetro ordinario 9×10-6

La dilatazione termica volumica

Se consideriamo un corpo in cui tutte le dimensioni geometriche siano rilevanti, la dilatazione termica interesserà tutte e tre le dimensioni e il corpo aumenterà il suo volume all’aumentare della temperatura.

La legge di dilatazione termica volumica è la seguente:

ΔV = V0 ∙ ΔT ∙ α

Dove:

ΔV è l’incremento di volume

V0 è il volume iniziale

ΔT è la differenza di temperatura

α è il coefficiente di dilatazione volumica

Si può dimostrare che i coefficiente di dilatazione volumica α è approssimativamente il triplo di λ.

La tabella seguente mostra alcuni valori del coefficiente di dilatazione termica volumica per i alcuni liquidi:

Materiale Coefficiente di dilatazione
termica volumica
(in °C-1 o K−1)
Acqua 0,06×10-3
Alcol etilico 1,01×10-3
Mercurio 0,18×10-3
Petrolio 0,9×10-3

Comportamento anomalo dell’acqua

Il comportamento dell’acqua sottoposto ad aumento o diminuzione di temperatura, presente alcune anomalie rispetto a quello delle altro sostanze.

Mentre tutti i corpi si dilatano se riscaldati o si contraggono se raffreddati, il volume dell’acqua diminuisce al diminuire della temperatura ma fino a 4 °C; se si diminuisce ulteriormente la temperatura, il suo volume ricomincia ad aumentare.

Visto che il volume dell’acqua è minimo alla temperatura di 4 °C, la sua densità sarà massima in corrispondenza di tale valore di temperatura.

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