Calcolatore di espansione termica

Cos'è l'espansione termica?

L'espansione termica è la tendenza della materia a cambiare il volume quando sottoposto a un cambiamento di temperatura. Generalmente, i materiali si espandono quando riscaldati e si contraggono quando raffreddati, anche se ci sono alcune eccezioni notevoli. Questo fenomeno colpisce praticamente tutti gli oggetti fisici, dai più piccoli componenti microchip ai massicci ponti e binari ferroviari.

La scienza dietro l'espansione termica

A livello molecolare, l'espansione termica si verifica perché quando un materiale viene riscaldato, le sue particelle (atomi e molecole) acquisiscono energia cinetica e vibrano più vigorosamente. Questo movimento aumentato provoca la distanza media tra le particelle per aumentare. Poiché le particelle si allontanano più a vicenda, le dimensioni generali del materiale aumentano.

Le forze intermacolari tra le particelle svolgono anche un ruolo chiave. Mentre la temperatura aumenta, queste forze si indeboliscono leggermente, permettendo una maggiore separazione tra molecole. Per la maggior parte dei materiali, la potenziale curva di energia tra le molecole è asimmetrica, il che significa che la repulsione aumenta più bruscamente a distanze ravvicinate che l'attrazione diminuisce a distanze maggiori, con conseguente espansione netta.

Tipi di espansione termica

L'espansione termica si manifesta in tre forme principali:

• Espansione lineare:Il cambiamento di lunghezza di un materiale. È descritto dal coefficiente di espansione lineare (α).
• Area di espansione:Chiamata anche espansione superficiale, si riferisce al cambiamento nella superficie. Per i materiali isotropici, il coefficiente di espansione dell'area è circa il doppio del coefficiente lineare (2α).
• Ampliamento del volume:Conosciuto anche come espansione cubica, misura il cambiamento di volume. Per i materiali isotropici, il coefficiente di espansione volumetrica è di circa tre volte il coefficiente lineare (3α).

Espansione in diversi Stati della Materia

Applicazioni e sfide di ingegneria

L'espansione termica ha numerose implicazioni ingegneristiche:

• Giunti di espansione:Ponti, edifici e tubazioni incorporano giunti di espansione per ospitare cambiamenti dimensionali senza creare stress o danni.
• Strisce bimetalliche:Utilizzati in termostati e interruttori a temperatura controllata, questi dispositivi utilizzano i diversi tassi di espansione di due metalli legati.
• Ferrovie:I salti sono intenzionalmente lasciati tra le sezioni delle tracce ferroviarie per prevenire l'instaurazione (sun kinks) durante il tempo caldo.
• Lo stress termico:Quando l'espansione è limitata, lo stress termico si sviluppa che può portare a guasto materiale se non correttamente gestito.
• Strumenti di precisione:Gli strumenti scientifici che richiedono alta precisione spesso utilizzano materiali a bassa espansione come Invar (una lega di nichel).

L'espansione anomala dell'acqua

L'acqua presenta insolite proprietà di espansione termica. A differenza della maggior parte delle sostanze, la densità massima dell'acqua si verifica a circa 4°C (39,2°F). Quando raffreddato a temperatura ambiente, i contratti d'acqua come previsto fino a raggiungere 4°C. Tuttavia, un ulteriore raffreddamento da 4°C a 0°C (il suo punto di congelamento) lo fa espandere.

Questa proprietà anomala è fondamentale per gli ecosistemi acquatici. In inverno, quando l'acqua di superficie dei laghi si raffredda a 4°C, affonda (essere più denso), creando un modello di circolazione. Una volta che l'acqua di superficie si raffredda sotto 4°C, diventa meno densa e rimane in cima, alla fine formando ghiaccio che galleggia. Questo strato di ghiaccio isola l'acqua sottostante, permettendo vita acquatica per sopravvivere anche nei laghi congelati.

Coefficienti di espansione termica

I materiali variano ampiamente nelle loro proprietà di espansione. Per esempio:

• PTFE (Teflon) ha uno dei più alti coefficienti tra i solidi a 119 × 10−6/°C
• La maggior parte dei metalli varia da 10-30 × 10−6/°C
• Invar, appositamente progettato per la bassa espansione, ha un coefficiente basso come 0,6 × 10−6/°C
• Il vetro al quarzo ha un coefficiente eccezionalmente basso di circa 0,4 × 10−6/°C

Queste differenze nei coefficienti di espansione termica possono essere sfruttate in varie applicazioni, ma presentano anche sfide quando si uniscono materiali diversi.

Descrizione matematica

L'espansione termica è la tendenza della materia a cambiare la sua forma, l'area e il volume in risposta a un cambiamento di temperatura. La formula di espansione lineare calcola il cambiamento di lunghezza di un materiale.

Per calcolare l'espansione termica, seguire questi passaggi:

1. 1
   Misurare la lunghezza iniziale del materiale
2. 2
   Determinare il coefficiente di espansione lineare per il materiale
3. 3
   Calcola il cambiamento della temperatura
4. 4
   Moltiplicare tutti i valori insieme per ottenere il cambiamento di lunghezza

Coefficienti comuni di espansione lineare (1/°C):

• Alluminio: 23 × 10−6
• Acciaio: 12 × 10−6
• Rame: 17 × 10−6
• Vetro: 9 × 10−6
• Concrete: 12 × 10−6