La dilatazione termica

La dilatazione termica

La maggior parte delle sostanze quando subisce una variazione di temperatura modifica anche il suo volume. Questo capita sia nei solidi che nei liquidi e nei gas. È una proprietà delle sostanze nota come dilatazione termica. Ad esempio, consideriamo una stanza piena di aria. Quando l'aria che si trova in prossimità del pavimento viene riscaldata, per la proprietà della dilatazione termica, diventa meno densa e tende a salire verso il soffitto. Al contrario, l'aria più fredda subisce maggiormente la forza di gravità e tende a scendere verso il basso. Si creano così delle vere e proprie correnti d'aria cicliche che vengono dette correnti convettive. Questo genere di correnti si manifesta anche nei liquidi, come, ad esempio, quando poniamo su un fornello acceso una pentola d'acqua. L'acqua che viene a contatto più direttamente con la fonte di calore, cioè quella che sta in prossimità del fondo, si riscalda e sale, mentre quella fredda scende dando luogo a correnti convettive.

Questa caratteristica delle sostanze è da ricondursi alla teoria cinetica molecolare, che sostiene che le particelle riscaldate hanno una maggiore energia cinetica rispetto a quelle fredde. Infatti, muovendosi più velocemente, le molecole lasciano attorno a sé degli spazi via via maggiori a seconda dell'aumento della loro energia cinetica.

Della dilatazione termica delle sostanze si deve tenere conto quanto, ad esempio, si costruiscono i binari dei treni o i ponti, in queste strutture, infatti, devono essere lasciati degli spazi liberi, detti giunti di dilatazione, per permettere alla materia di dilatarsi.

Si può parlare di tre tipi di dilatazione termica, a seconda che la dilatazione interessi particolarmente una due o tre dimensioni del corpo che si dilata. Nel caso di una barretta di ferro che si dilata, di questa aumenta maggiormente la sua lunghezza (una dimensione), questo genere di dilatazione è di tipo lineare. Nel caso di una lamina che si dilata, sarà più facile osservare l'aumento della sua superficie (due dimensioni), ovvero parleremo di dilatazione superficiale. Nel caso, infine, di un cubo di metallo, quando esso si dilata aumenta le dimensioni della sua altezza, larghezza e lunghezza (tre dimensioni), ci troviamo di fronte ad un tipo di dilatazione volumica o cubica.

Per calcolare la lunghezza di dilatazione di una barretta di ferro, possiamo applicare la formula:

l-l₀ l^.l₀^.Dt

dove l è una costante detta costante di dilatazione lineare.

Per la dilatazione superficiale avremo:

s-s₀ k^.s₀^.Dt

dove con k indichiamo la costante di dilatazione superficiale,

e per la e per la dilatazione volumica:

V-V₀ a^.V₀^.Dt

a qui è la costante di dilatazione volumica.

Riscontriamo il fenomeno della dilatazione termica anche nei liquidi, ma per questi, a differenza che nei solidi, non c'è un buon modello di riferimento. È utile a questo scopo considerare un liquido come un solido finemente tritato, le cui molecole si associano in piccoli gruppi. A parità di temperatura, i liquidi si dilatano molto di più rispetto ai solidi. Questa dilatazione vale per tutti i liquidi che hanno comportamento uguale, tranne che per l'acqua, che ha un comportamento diverso. Infatti, l'acqua presenta, fino alla temperatura di 4°C piccole particelle ghiacciate, che fanno aumentare il suo volume reale. Queste piccole particelle ghiacciate si fondono totalmente alla temperatura di 4°C, quindi, da una temperatura molto bassa, ad esempio a 0°C, l'acqua presenta un volume che va diminuendo fino a che essa non raggiunge la temperatura di 4°C. Dopo di questo, il volume dell'acqua aumenta con l'aumentare della temperatura, si verifica, cioè, il fenomeno della dilatazione termica esattamente come nelle altre sostanze.