Quasi tutte le sostanze (solidi, liquidi e gas) si espandono per riscaldamento e si contraggono per raffreddamento. L'espansione di una sostanza per riscaldamento è detta dilatazione termica di quella sostanza. Esistono tre tipi di espansione: lineare (aumento della lunghezza), superficiale (aumento dell'area) e cubica (aumento del volume). I solidi hanno una forma definita, quindi quando un solido viene riscaldato si espande in tutte le direzioni, cioè la lunghezza, l'area e il volume aumentano con il riscaldamento. Liquidi e gas mostrano solo un'espansione cubica. Al riscaldamento, i liquidi si espandono più dei solidi e i gas si espandono molto più dei liquidi. In questa lezione imparerai:
Riscaldando un solido, l'energia cinetica media delle molecole del solido aumenta. Cominciano a vibrare intorno alla loro posizione media con una grande ampiezza. Il risultato è che la loro posizione media cambia in modo tale che la separazione intermolecolare tra le molecole aumenta, quindi il solido si espande in tutte le direzioni.
Esperimento: prendi una sfera di metallo e un anello.
i) Disporre la sfera e l'anello di metallo come mostrato nell'immagine sottostante (figura a). La sfera di metallo dovrebbe semplicemente scivolare attraverso l'anello quando entrambi sono a temperatura ambiente.
ii) Riscaldare ora la sfera di metallo su un fornello (figura b)
iii) Posizionare nuovamente l'anello e provare a far passare la pallina attraverso l'anello. Noterai che la palla si blocca.
Motivo: durante il riscaldamento, la sfera si espande e aumenta di diametro.
Ora lascia che la palla si raffreddi e prova di nuovo a far passare la palla attraverso l'anello, noterai che la palla ora passa attraverso l'anello. Questo perché durante il raffreddamento la pallina si contrae.
Espansione lineare
Ogni volta che c'è un aumento della lunghezza di un corpo dovuto al riscaldamento, allora l'espansione è chiamata espansione lineare. Consideriamo l'espansione lineare in un'asta metallica. L'aumento della lunghezza di una barra metallica al riscaldamento dipende dai seguenti tre fattori:
Nota: l'aumento della lunghezza di un'asta durante il riscaldamento non dipende dal fatto che sia cavo o pieno
Espansione superficiale dei solidi
Quando una piastra metallica viene riscaldata, la sua lunghezza e la sua larghezza aumentano. Ciò aumenta l'area della piastra. Un aumento dell'area della piastra dipende da:
Espansione cubica dei solidi
Quando il solido viene riscaldato, la sua lunghezza, larghezza e spessore aumentano tutti, aumentando così il volume. Sperimentalmente si osserva che l'aumento di volume di un solido dipende da:
| Se L 0 è la lunghezza di un'asta a 0 o C e la sua lunghezza a t o C è L t , allora un aumento della lunghezza è dato come L t - L 0 = L 0 α t α è il coefficiente di dilatazione lineare che dipende dal materiale dell'asta. La sua unità è per o C |
| Se A 0 è l'area di un piatto a 0 o C e la sua area a t o C è A t , allora un aumento dell'area è dato come A t - A 0 = A 0 β t beta è il coefficiente di dilatazione superficiale che è diverso per diversi solidi. |
| Se V 0 è il volume di un solido a 0 o C e la sua area a t o C è V t , allora l'aumento di volume è dato da V t - V 0 = V 0 γ t γ è il coefficiente di dilatazione cubica che è diverso per i diversi materiali. |
Relazione tra α, β e γ: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
Coefficiente di dilatazione lineare di alcuni solidi
| Sostanza | Coefficiente di espansione lineare ( x 10 -6 per o C) |
| Alluminio | 24 |
| Ottone | 19 |
| Rame | 17 |
| Ferro da stiro | 12 |
| Invar | 0.9 |
Espansione termica dei solidi nella vita quotidiana
1. Binari ferroviari: le rotaie dei binari ferroviari sono in acciaio. Durante la posa dei binari ferroviari sulle piante in legno o cemento, viene lasciato un piccolo spazio tra la lunghezza successiva delle rotaie come mostrato nella figura sottostante. Il motivo è che in estate a causa dell'aumento della temperatura atmosferica ogni binario tende ad aumentare di lunghezza, quindi viene lasciato uno spazio tra i due binari, altrimenti il binario si piegherà lateralmente.
2. Cavi elettrici e cavi telefonici: il cavo elettrico nella linea di trasmissione dell'energia ei cavi telefonici tra due poli possono rompersi in inverno a causa della contrazione e possono cedere in estate a causa dell'espansione. Pertanto, mentre si monta il filo tra due pali, si ha cura che in estate siano tenuti leggermente allentati in modo che non si rompano in inverno per contrazione. E mentre li si posa in inverno, vengono tenuti stretti in modo che non possano abbassarsi troppo in estate a causa dell'espansione.
3. Vetreria utilizzata in cucina: la vetreria utilizzata in cucina è generalmente realizzata in vetro pyrex. Il motivo è che il vetro pyrex ha un coefficiente di dilatazione cubica molto basso, quindi la vetreria al riscaldamento non si espande e non si crepa.
Come i solidi, anche i liquidi di solito si espandono per riscaldamento. I liquidi si espandono molto di più dei solidi quando vengono riscaldati. Poiché il liquido non ha una forma definita ma ha un volume definito, quindi i liquidi hanno solo un'espansione cubica.
Eccezione: l'acqua si contrae riscaldandola da 0 o C a 4 o C e poi oltre i 4 o C riscaldandosi ulteriormente si espande. Questo è chiamato comportamento anomalo dell'acqua.
Esperimento: prendi un barattolo, riempi i tre quarti di acqua e chiudi il barattolo. Tienilo sul fuoco. Noterai che mentre l'acqua si riscalda sempre di più, il livello dell'acqua nel barattolo aumenta.
Nota: quando un liquido contenuto nel barattolo viene riscaldato, prima il barattolo si riscalda e quindi si espanderà a causa della quale il livello del liquido scende. Successivamente, quando il calore raggiunge il liquido, si espanderà, quindi il livello del liquido aumenterà. Pertanto, la reale espansione del liquido è maggiore dell'espansione osservata.
Fattori che influenzano l'espansione cubica di un liquido
La dilatazione cubica di un liquido dipende dai seguenti tre fattori:
Se V 0 è il volume del liquido a 0 o C e V t il volume del liquido a t o C, allora un aumento del volume del liquido è dato come
V t - V o = V 0 γ t
dove γ è il coefficiente di dilatazione cubica del liquido .
Coefficiente di dilatazione cubica di alcuni liquidi
| Liquido | Coefficiente di dilatazione cubica γ ( x 10 -4 per o C) |
| Mercurio | 1.8 |
| Acqua (superiore a 15 O C) | 3.7 |
| Olio di paraffina | 9.0 |
| Alcol | 11.0 |
Applicazione dell'espansione termica dei liquidi nella vita quotidiana
L'espansione termica del liquido viene utilizzata nel funzionamento di un termometro a mercurio. Il termometro a mercurio è costituito da un tubo capillare con un'estremità chiusa e un bulbo cilindrico all'altra estremità. La lampadina è piena di mercurio. Il mercurio è un liquido lucido, quindi il suo livello può essere visto facilmente nel tubo capillare. Quando il bulbo del termometro viene tenuto a contatto con un corpo caldo, il mercurio si espande. Il livello di mercurio aumenta nel tubo capillare. Il tubo è graduato per leggere la temperatura. Per ogni grado Celsius di aumento della temperatura, il mercurio si espande dello stesso volume, quindi la calibrazione del termometro diventa più facile.
I gas si espandono anche quando vengono riscaldati. I gas si espandono molto più dei liquidi e dei solidi. Come i liquidi, i gas non hanno una forma definita, quindi anche loro hanno solo un'espansione cubica. Tuttavia, i gas contenuti in un volume fisso non possono espandersi e quindi l'aumento della temperatura provoca un aumento della pressione.
Esperimento: prendi una bottiglia vuota. Attaccagli un palloncino di gomma al collo. Inizialmente, il palloncino è sgonfio. Mettere la bottiglia in un bagno d'acqua contenente acqua bollente. Dopo qualche tempo noterai che il palloncino si gonfia come mostrato nella figura sottostante. Ciò dimostra che durante il riscaldamento l'aria racchiusa nella bottiglia si espande e riempie il palloncino in modo che il palloncino si gonfi.
Applicazione dell'espansione termica dei gas nella vita quotidiana
Mongolfiera: le mongolfiere funzionano secondo il principio della differenza di espansione termica tra un gas e un solido. Poiché l'aria calda all'interno della borsa a palloncino aumenta di dimensioni più velocemente del contenitore, allunga la borsa in modo che si espanda e sposta l'aria più fredda (più pesante) all'esterno della borsa. La differenza tra la densità dell'aria all'interno e all'esterno del sacco fa salire il pallone. Il raffreddamento dell'aria all'interno della borsa fa scendere il pallone.
Quando una sostanza viene riscaldata, il suo volume aumenta mentre la sua massa rimane la stessa, quindi la densità della sostanza (essendo il rapporto tra massa e volume), diminuisce con l'aumento della temperatura. Nel caso dei solidi la diminuzione della densità non è evidente ma nel caso dei liquidi e dei gas, all'aumentare della temperatura il volume aumenta di una quantità apprezzabile, e quindi la diminuzione della densità è piuttosto evidente.
