voi liquidi può soffrire dilatazione termica, così come i solidi, quando riscaldato. L'espansione dei liquidi si verifica quando la loro temperatura aumenta, in modo che le sue molecole siano più agitate. Per determinare la dilatazione del volume di un liquido, dobbiamo conoscerne il coefficiente di espansione volumetrica, ma anche la dilatazione subita dal contenitore che contiene questo liquido.
La dilatazione subita dai liquidi si chiama dilatazione volumetrica. In questo tipo di dilatazione, tutte le dimensioni di un corpo o fluido, come liquidi e gas, subiscono aumenti significativi in risposta ad un aumento della temperatura. Questo fenomeno nasce a causa dell'agitazione termica delle molecole del corpo: maggiore è la temperatura, maggiore è l'ampiezza dell'agitazione di queste molecole, che iniziano a muoversi in uno spazio più ampio.
Guardaanche: Concetti base di idrostatica
Formula di espansione volumetrica
Possiamo calcolare l'espansione volumetrica subita da un liquido utilizzando la seguente formula:
V — variazione di volume (m³)
V0— volume iniziale (m³)
γ — coefficiente di espansione volumetrica (°C-1)
T — variazione di temperatura (°C)
La formula mostrata sopra può essere utilizzata per calcolare l'aumento di volume (V) di un liquido a causa di una variazione della sua temperatura (T). Con alcune manipolazioni algebriche è possibile scrivere la stessa formula di cui sopra in un formato che ci permetta di calcolare direttamente il volume finale di un liquido dopo averlo riscaldato, vedi:
V — volume liquido finale
Si noti che, in entrambe le formule, è necessario sapere quanto costante, conosciuto come coefficiente di espansione volumetrica. Questa grandezza, misurata in ºC-1(Si legge: 1 su gradi Celsius), ci dà quanto è grande l'espansione di una sostanza, per ogni 1°C di variazione della sua temperatura.
Coefficiente di espansione volumetrica
Il coefficiente di espansione volumetrica è a proprietà fisica che misura quanto è grande la variazione di volume di un corpo per una data variazione della sua temperatura. Questa quantità non è costante e il suo valore può essere considerato costante solo per alcuni intervalli di temperatura. Dai un'occhiata ad alcuni valori tipici dei coefficienti di dilatazione di alcune sostanze allo stato liquido, alla temperatura di 20 °C:
Sostanza |
Coefficiente di espansione volumetrica (°C-1) |
acqua |
1,3.10-4 |
Mercurio |
1,8.10-4 |
Alcol etilico |
11,2.10-4 |
Acetone |
14,9.10-4 |
Glicerina |
4,9.10-4 |
Come detto sopra, il coefficiente di espansione volumetrica ha dipendenza con il temperatura, ovvero il modulo può fluttuare durante il riscaldamento o il raffreddamento. Pertanto, per fare i calcoli, utilizziamo i coefficienti di dilatazione che sono all'interno degli intervalli di temperatura, dove il grafico di V x T ha il formato lineare. Orologio:
Tra le temperature T1 e T2, il coefficiente di espansione è costante.
Apparente dilatazione dei liquidi
L'espansione apparente dei liquidi è determinata dal volume del liquido che è straripato se un contenitore completamente pieno di questo liquido è riscaldato. Tuttavia, se il contenitore subisce una variazione di volume pari alla variazione volumetrica subita dal liquido, nessun liquido deve traboccare.
Il volume di liquido traboccato nella figura corrisponde all'espansione apparente.
Formule di dilatazione apparente
Per calcolare il volume di liquido che fuoriesce dalla bottiglia, dobbiamo usare la formula della dilatazione apparente, nota:
Vap — dilatazione apparente (m³)
V0 — volume liquido iniziale (m³)
γap — coefficiente di espansione volumetrica apparente (°C-1)
T — variazione di temperatura (°C)
Nella formula sopra, Vap corrisponde al volume di liquido traboccato, mentre γap è il coefficiente di espansione apparente. Per sapere come calcolare il coefficiente di espansione apparente, bisogna tener conto dell'espansione subita dal pallone (VF) che conteneva il liquido. Per farlo utilizzeremo la seguente formula:
VF — espansione bottiglia (m³)
V0— volume iniziale della bottiglia (m³)
γF — coefficiente di espansione volumetrica del pallone (°C-1)
T — variazione di temperatura (°C)
Nell'espressione precedente, γF si riferisce al coefficiente di espansione volumetrica del contenitore contenente il liquido, e VF misura quale fosse la dilatazione di quella bottiglia. Pertanto, l'espansione effettiva subita dal liquido (VR) può essere calcolato come la somma della dilatazione apparente con la dilatazione della fiala, nota:
VR—effettiva dilatazione del liquido
Vap — apparente dilatazione del liquido
VR — effettiva dilatazione della fiala
Dopo alcune manipolazioni algebriche con le formule presentate, è possibile raggiungere il seguente risultato:
γ — coefficiente di espansione del liquido reale (°C-1)
γF — coefficiente di espansione volumetrica del pallone (°C-1)
γap — coefficiente di espansione volumetrica apparente (°C-1)
La relazione di cui sopra indica che l'effettivo coefficiente di espansione del liquido può essere trovato utilizzando il somma tra i coefficienti di dilatazione apparente è il coefficiente di espansione del pallone.
dilatazione anomala dell'acqua
L'acqua ha un comportamento anomalo per quanto riguarda la dilatazione termica tra le temperature di 0°C e 4°C, capisci: scaldando l'acqua da 0°C a 4°C, il tuo il volume diminuisce, invece di aumentare. Per questo motivo, allo stato liquido, il densità dell'acqua ha la tua valore più alto per la temperatura di 4°C. I grafici sottostanti aiutano a comprendere il comportamento della densità e del volume dell'acqua in funzione della sua temperatura, nota:
Ad una temperatura di 4°C, la densità dell'acqua è la più alta.
A causa di questo comportamento, le bibite o le bottiglie d'acqua scoppiano se lasciate troppo a lungo nel congelatore. Quando l'acqua raggiunge la temperatura di 4°C, il suo volume è minimamente occupato da acqua liquida, se il raffreddamento continua, il volume dell'acqua aumenterà invece di diminuire. quando l'acqua arriva 0°C, il volume dell'acqua sarà notevolmente aumentato, mentre il suo contenitore avrà ridotto le sue stesse misure, provocando la sua rompere.
Le bottiglie piene d'acqua che vanno nel congelatore possono scoppiare quando raggiungono 0°C.
Un'altra conseguenza di questo comportamento anomalo dell'acqua è il nessun congelamento dei fondali dei fiumi nelle regioni molto fredde. Quando la temperatura dell'acqua si avvicina a 0 ºC, la sua densità diminuisce e quindi l'acqua fredda aumenta, a causa del galleggiabilità. Mentre sale, l'acqua fredda si congela, formando uno strato di ghiaccio sui fiumi. come il ghiaccio è un bene isolante termico, il fondo dei fiumi rimane a circa 4 ºC, perché, a questa temperatura, la sua densità è massima e tende a rimanere sul fondo dei fiumi.
Il motivo del comportamento anomalo dell'acqua è di origine molecolare: tra 0 °C e 4 °C, l'attrazione elettrica tra il le molecole d'acqua superano l'agitazione termica, dovuta all'esistenza di legami idrogeno presenti tra le molecole d'acqua. Acqua.
Guardaanche: Come avviene l'espansione anomala dell'acqua?
esercizi risolti
1) Determinare il coefficiente di espansione volumetrica di una porzione di 1 m³ di liquido che subisce un'espansione di 0,05 m³ quando riscaldata da 25°C a 225°C.
Risoluzione:
Calcoliamo il coefficiente di espansione del liquido in questione utilizzando la formula di espansione volumetrica:
Applicando i dati forniti dall'istruzione alla formula precedente, effettueremo il seguente calcolo:
2) Un pallone di vetro, il cui coefficiente di espansione volumetrica è 27,10-6 °C-1, ha una capacità termica di 1000 ml, ad una temperatura di 20 ºC, ed è completamente riempito con un liquido sconosciuto. Quando riscaldiamo il set fino a 120 ºC, 50 ml di liquido fuoriescono dal contenitore. Determinare i coefficienti di espansione apparente; l'effettivo coefficiente di espansione del liquido; e la dilatazione subita dalla fiala di vetro.
Risoluzione:
Calcoliamo il coefficiente di espansione apparente, per questo useremo la seguente formula:
Utilizzando i dati dell'esercizio, eseguiremo il seguente calcolo:
Successivamente, calcoleremo l'effettivo coefficiente di espansione del liquido. Per farlo dobbiamo calcolare quale è stata la dilatazione subita dalla bottiglia di vetro:
Sostituendo i dati forniti dalla dichiarazione di esercizio, dobbiamo risolvere il seguente calcolo:
Con il calcolo di cui sopra, abbiamo determinato quale fosse l'espansione subita dal pallone di vetro. Quindi, per trovare l'espansione reale del liquido, basta aggiungere il volume della dilatazione apparente al volume della dilatazione del pallone:
Il risultato ottenuto nella risposta di cui sopra indica che il liquido all'interno della fiala ha subito un'espansione effettiva di 52,7 ml. Infine, calcoliamo il coefficiente di espansione reale del liquido:
Utilizzando la formula sopra, calcoliamo il coefficiente di espansione dell'acqua reale pari a:
Pertanto, il coefficiente di espansione termica di questo liquido è 5,27,10-4 °C-1.
Di Me. Rafael Helerbrock
Fonte: Scuola Brasile - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/dilatacao-liquidos.htm