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Dettagli del messaggio: LA DILATAZIONE TERMICA

29.12.06

Permalink 14:28:31, Categorie: Laboratori e altro  

LA DILATAZIONE TERMICA

DILATAZIONE TERMICA NEI SOLIDI

L’aumento della temperatura di un corpo solido generalmente causa una dilatazione di ciascuna della sue dimensioni lineari (dilatazione termica lineare). Il fenomeno si spiega ricorrendo a un semplice modello di solido cristallino, in cui si immagina ciascun atomo del solido legato agli altri per mezzo di molle rigide, che rappresentano le forze interatomiche di origine elettrica che tengono unito tutto il sistema. Pur in una situazione di quiete, a qualsiasi temperatura, ciascun atomo compie delle piccolissime vibrazioni intorno alla propria posizione nel reticolo. Quando la temperatura del solido viene innalzata, tali vibrazioni aumentano di ampiezza e di frequenza, provocando una dilatazione del solido nelle tre dimensioni lineari del volume: lunghezza, larghezza e altezza.

Per determinare la dilatazione di un corpo solido, è necessario conoscere il coefficiente a che misura la variazione relativa di ciascuna dimensione del corpo, grazie al quale sarà possibile esprimere tale variazione in funzione della variazione di temperatura come ?l = a l ?T, dove ?l e ?T indicano rispettivamente la variazione di una dimensione lineare e la variazione di temperatura del corpo. La maggior parte dei solidi si dilata isotropicamente, ovvero subisce la stessa variazione percentuale nelle tre dimensioni del volume: il coefficiente di dilatazione lineare è dunque lo stesso per ciascuna dimensione. Di fatto, esso dipenderebbe dalla temperatura che provoca l’espansione, ma la variazione dei suoi valori è talmente piccola che può essere trascurata a tutti i fini pratici per i quali è importante conoscere la dilatazione dei corpi.

 
ESPERIMENTO:

Abbiamo una sfera e un anello di metallo. Le loro dimensioni sono tali che sfera riesce appena a passare attraverso l’anello. Riscaldiamo la sfera ponendola sopra una fiamma. Per quanto la sfera diventi calda non notiamo alcuna dilatazione a occhio nudo.
Come possiamo verificare che la sfera è diventata un po’ più grande?Proviamo a farla passare attraverso l’anello. Ci accorgiamo che non lo attraversa più. Deduciamo quindi che la sfera si è
dilatata. Dopo alcuni minuti,quando la sua temperatura si abbassa, la sfera passa di nuovo attraverso l’anello. Deduciamo quindi che la sfera si è contratta ed è ritornata alle dimensioni originali.

DILATAZIONE TERMICA NEI LIQUIDI.

Nel caso dei liquidi, che non hanno forma propria, non ha senso parlare di dilatazione lineare o superficiale, ma solo di espansione volumetrica. Anche in questo caso, i coefficienti di espansione della sostanze più comuni, che indicano la variazione percentuale di volume per variazione di temperatura unitaria, si trovano raccolti in tavole specifiche. In genere, i liquidi si dilatano al crescere della temperatura: la variazione di volume è inferiore a quella mostrata dai gas, e di circa dieci volte superiore a quella dei solidi.

Il fenomeno della dilatazione termica di alcuni liquidi, come il mercurio o l'alcol, collocati all'interno di capillari calibrati, viene sfruttato per costruire termometri particolari, adatti a misurare piccole variazioni di temperatura.

 
ESPERIMENTO:

Procuriamoci una bottiglietta di vetro, un tappo forato, un tubicino trasparente e un po’ d’acqua colorata. Costruiamo quindi il termoscopio seguendo le indicazioni riportate nella figura.
Se riscaldiamo la bottiglietta possiamo notare che il livello del liquido nel tubicino si innalza di alcuni centimetri. Ciò significa che il volume dell’acqua è
aumentato.
Lasciando poi raffreddare la bottiglietta, il livello dell’acqua nel tubicino siabbassa e ritorna al livello iniziale. Ciò significa che il volume dell’acqua è diminuito. Ripetiamo l’esperimento con altri liquidi, ad esempio alcool e olio. In ogni caso noteremo il fenomeno della dilatazionr termica, anche se in misura leggermente diversa.
Possiamo quindi concludere che anche i liquidi,come i solidi, subiscono la dilatazione termica, cioè:

• quando vengono riscaldati si dilatano;
• quando vengono raffreddati si contraggono.

DILATAZIONE TERMICA NEI GAS

I gas sono le sostanze che mostrano l'espansione termica più evidente. Il fenomeno segue l’andamento prescritto dalla legge di Charles (o prima legge di Gay-Lussac): il volume occupato da

un gas ideale (un modello teorico di gas che approssima il comportamento dei gas reali) è proporzionale alla sua temperatura assoluta. Il coefficiente di dilatazione termica è lo stesso per tutti i gas, e vale 1/(273,15 °C). Quindi, per ogni aumento di temperatura di 1 °C, il volume di un gas aumenta di una quantità pari a circa 1/273,15 del suo volume a 0 °C; perciò, se riscaldato da 0 °C a 273,15 °C, il gas raddoppia il suo volume.

 
ESPERIMENTO:

Sigilliamo una bottiglia di vetro con un palloncino sgonfio.

Riscaldando l’aria contenuta nella bottiglia notiamo che il palloncino si gonfia. Ciò significa che il volume dell’aria contenuta nella bottiglia sta aumentando.

Raffreddando l’aria contenuta nella bottiglia, il palloncino si sgonfia. Ciò significa che il volume dell’aria contenuta nella bottiglia sta diminuendo.

Possiamo quindi concludere che anche i gas come i solidi e i liquidi, seguono il principio della dilatazione termica: si dilatano quando vengono riscaldati e si contraggono quando vengono raffreddati.


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