Se osservate attentamente i cavi elettrici, noterete che sono incurvati verso il basso a causa del loro allentamento. Perché i cavi elettrici vengono deliberatamente allentati, invece di essere semplicemente tesi? La maggior parte dei tetti a Flores e Lembata, Nusa Tenggara Orientale, sono in zinco (Zn). Di giorno o di notte, i tetti in zinco fanno rumore. Perché lo zinco fa rumore? Se vivete sull'isola di Giava, potreste aver osservato i binari della ferrovia. Ci sono degli spazi tra le rotaie. Qual è la funzione di questi spazi tra le rotaie? Ci sono molte cose su cui riflettere e domande da porsi in relazione al tema dell'espansione.
Espansione della lunghezza
La maggior parte dei solidi subisce un'espansione lineare al variare della temperatura. Questo si riferisce a un aumento o una diminuzione della lunghezza. In genere, la lunghezza di un oggetto aumenta all'aumentare della temperatura, mentre diminuisce al diminuire della temperatura. Si potrebbe pensare che l'espansione lineare si verifichi solo in oggetti come i fili sottili. Ad esempio, si consideri un'auto parcheggiata sul ciglio della strada esposta alla luce solare. Quando l'auto si surriscalda, la lamiera può ispessirsi o la lunghezza dei suoi lati può aumentare. Anche un tetto di zinco può subire un'espansione lineare. In questo caso, quando lo zinco si surriscalda, i bordi si espandono e lo zinco può anche ispessirsi. Lo stesso fenomeno si verifica nei binari ferroviari e nei ponti in ferro o acciaio.
La maggior parte dei solidi si espande o si contrae al variare della temperatura, quindi è fondamentale comprendere come le variazioni di temperatura influenzino l'espansione dei solidi. Questa conoscenza è molto utile nella progettazione di attrezzature, edifici, veicoli, ecc. Ad esempio, consideriamo gli spazi tra le rotaie ferroviarie. Le rotaie sono in acciaio. Gli ingegneri hanno calcolato la larghezza degli spazi tra le rotaie. In una giornata calda, le rotaie si espandono di diversi centimetri. Quando un treno vi passa sopra, anche la temperatura delle rotaie aumenta, causando un'ulteriore espansione di quanti centimetri? In una notte fredda, le rotaie si contraggono di quanti centimetri? Sulla base di questa analisi, gli ingegneri stimano la distanza tra le rotaie in modo che, all'aumentare della temperatura, le rotaie non si tocchino e si pieghino.
Per aiutarci a ricavare la formula che esprime la relazione tra la variazione di temperatura e l'entità dell'espansione lineare, consideriamo un oggetto solido che subisce un'espansione, come mostrato nella figura a destra. Didascalia: To = temperatura iniziale, T = temperatura finale, Lo = lunghezza iniziale, L = lunghezza dopo l'espansione, delta L = variazione di lunghezza, delta T = variazione di temperatura.
Quando la temperatura dell'oggetto è T₀ ( l'oggetto è ancora freddo), la lunghezza dell'oggetto è L₀ . Quando la temperatura dell'oggetto aumenta (T), la lunghezza dell'oggetto aumenta (L). In base ai risultati di osservazioni ed esperimenti, la variazione di lunghezza dell'oggetto è proporzionale alla variazione di temperatura. Se la temperatura aumenta, la lunghezza dell'oggetto aumenta. Viceversa, quando la temperatura diminuisce, la lunghezza dell'oggetto diminuisce. La variazione di lunghezza dell'oggetto è anche proporzionale alla lunghezza iniziale dell'oggetto (L₀ ) . Se l'entità della variazione di temperatura è la stessa, un oggetto lungo 10 metri, ad esempio, aumenterà di lunghezza del doppio rispetto a un oggetto lungo solo 5 metri. Quindi, più lungo è l'oggetto, maggiore sarà la sua dilatazione.
La variazione della lunghezza di un oggetto (delta L) è proporzionale alla variazione di temperatura (delta T):
La variazione di lunghezza dell'oggetto (delta L) è proporzionale alla lunghezza iniziale dell'oggetto (Lo):
La variazione di lunghezza di ciascun oggetto è diversa. Anche se è grande variazioni di temperatura Analogamente, la dilatazione termica del ferro non è la stessa di quella del vetro. Lo stesso vale per altri materiali. Pertanto, la dilatazione lineare dipende dal coefficiente di dilatazione termica di ciascun materiale. Il coefficiente di dilatazione termica di ciascun materiale si ottiene sperimentalmente. Maggiore è il coefficiente di dilatazione termica, maggiore è l'aumento di lunghezza. Minore è il coefficiente di dilatazione termica, minore è l'aumento di lunghezza. Si può affermare che la variazione di lunghezza di un oggetto è proporzionale al suo coefficiente di dilatazione termica.
I tre confronti di cui sopra sono espressi in un'equazione:
La lunghezza totale di un oggetto dopo aver subito espansione o contrazione può essere ottenuta sommando la lunghezza iniziale dell'oggetto (Lo) e variazioni nella lunghezza dell'oggetto (delta L).
Quando la temperatura cambia (TT)o) è negativo, quindi la variazione di lunghezza (LL)o) è anche negativo. In questo caso, la lunghezza dell'oggetto diminuisce. Viceversa, se la variazione di temperatura (TTo) è positivo, quindi il cambiamento di lunghezza (LL)o) è anche positivo. In questo caso l'oggetto aumenta di lunghezza.
Di seguito è riportato il coefficiente di dilatazione lineare dei solidi a una temperatura di 20 ° C. I liquidi e i gas cambiano forma, impedendo loro di subire una dilatazione lineare. Il coefficiente di dilatazione lineare dei solidi dipende anche dalla temperatura. A temperature diverse, il coefficiente di dilatazione lineare dei solidi varia. Se la differenza di temperatura non è eccessiva, anche la differenza nel coefficiente di dilatazione lineare non sarà eccessiva e può quindi essere trascurata.
Espansione di volume
L'espansione in lunghezza si verifica solo negli oggetti solidi, mentre l'espansione in volume si verifica in tutti gli oggetti, siano essi solidi, liquidi o gassosi. L'equazione per l'espansione in volume è simile all'equazione per l'espansione in lunghezza.
L'equazione di espansione volumetrica sopra riportata è valida solo quando la variazione di volume di un oggetto (solido, liquido o gassoso) è inferiore al volume iniziale dell'oggetto stesso. Se la variazione di volume è maggiore del volume iniziale, l'equazione di espansione volumetrica non fornisce risultati accurati. Solitamente, la variazione di volume subita dagli oggetti solidi non è molto elevata. Al contrario, il coefficiente di espansione volumetrica dei liquidi e dei gas è piuttosto grande. Il coefficiente di espansione volumetrica dei gas varia facilmente anche con le variazioni di temperatura. Pertanto, la formula sopra riportata è utilizzabile solo per l'espansione di oggetti solidi. La formula per determinare la variazione di volume di un gas verrà studiata nell'ambito della teoria cinetica dei gas in seconda superiore.
