Quando un corpo ha un aumento di temperatura, le molecole che lo compongono ricevono energia e si agitano, provocando un aumento delle dimensioni dell'oggetto. Questo fenomeno è noto come dilatazione termica. Allo stesso modo, quando un corpo viene raffreddato, la sua energia diminuisce e così anche l'agitazione molecolare, provocando una riduzione delle sue dimensioni, nota come contrazione termico.
IL dilatazione termica possono essere classificati in tre modi: lineare, superficiale e volumetrico.
dilatazione termica lineare
quando il variazione di temperatura di un corpo per modificare la distanza tra due punti, il dilatazione termica lineare, che può essere una variazione della lunghezza di una barra, del raggio di una sfera, della diagonale di un cubo o di un quadrato, tra gli altri.
Si consideri ad esempio una sbarra di ferro di lunghezza L0 con temperatura iniziale Tio. Alzando la temperatura a Tf , la lunghezza sarà aumentata a L. Guarda l'immagine:
Diagramma che mostra l'espansione termica lineare causata dall'aumento della temperatura
La variazione di temperatura (ΔT) è la differenza tra la temperatura finale e quella iniziale:
ΔT = Tf - Tio
L'espansione termica lineare (ΔL) prodotta da questa variazione di temperatura è la differenza tra la lunghezza finale L e la lunghezza iniziale L0:
L = L - L0
Questa dilatazione subita dalla barra è proporzionale alla variazione di temperatura e alla lunghezza iniziale della barra, quindi può essere calcolata anche con la Legge della dilatazione termica lineare dalla formula:
L = α. l0. T
La costante di proporzionalità α si chiama coefficiente di dilatazione termica lineare del materiale che compone la barra. La sua unità di misura è il reciproco grado Celsius, rappresentato da ºC -1. Tale grandezza assume un valore diverso per ogni tipo di materiale, rappresentando la dilatazione termica lineare per ogni unità di lunghezza e per ogni unità di variazione di temperatura.
Vedere la seguente tabella per i valori del coefficiente di dilatazione termica lineare di alcune sostanze:
Sostanza |
Coefficiente (10-6 °C -1) |
Condurre |
27 |
Alluminio |
25 |
Argento |
20 |
Silicio |
2,6 |
Acciaio |
14 |
Oro |
15 |
Rappresentazione grafica della dilatazione termica lineare
Possiamo ottenere l'espansione termica lineare da un grafico della lunghezza in funzione della temperatura:
Grafico della lunghezza in funzione della temperatura dell'espansione termica lineare
Possiamo mettere in relazione l'angolo φ con la Legge della dilatazione termica lineare, poiché:
L = α. l0. T
e
Δl = α. l0
T
essere il coefficiente angolare in linea retta che rappresenta la variazione di lunghezza con la temperatura, è data da:
tg φ = Δl
T
presto:
tg φ = α. l0
La linea non può passare per il punto 0, poiché la lunghezza iniziale non può essere uguale a zero.
Una delle conseguenze della dilatazione termica lineare è riscontrabile nelle opere di ingegneria, ad esempio i giunti di dilatazione (figura nel titolo) che esistono sui binari o sui marciapiedi. Sono semplicemente un piccolo spazio vuoto lasciato in alcune parti della costruzione per l'espansione causata dal variazioni di temperatura, come nel caso di un incendio o anche variazioni naturali, non danneggiano la struttura del edifici. Se questi giunti di dilatazione non esistessero, qualsiasi aumento di temperatura potrebbe causare la piegatura o la rottura del calcestruzzo o della ferramenta.
di Mariane Mendes
Laureato in Fisica
Fonte: Scuola Brasile - https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-dilatacao-termica-linear.htm