LA DILATAZIONE TERMICA.

Presentazione sul tema: "LA DILATAZIONE TERMICA."— Transcript della presentazione:

1 LA DILATAZIONE TERMICA

2 LA DILATAZIONE TERMICA MAPPA CONCETTUALE
LA DILATAZIONE TERMICA IN GENERALE DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI Lineare Superficiale Cubica DILATAZIONE TERMICA DEI LIQUIDI comportamento dell’acqua apparecchio di Hope DILATAZIONE TERMICA DEI GAS Un po’ di storia 1° legge di Gay-Lussac Dilatazione dei gas e temperatura assoluta EFFETTI DELLA DILATAZIONE TERMICA NELLA VITA QUOTIDIANA ESPERIENZA DI LABORATORIO: Misura del coefficiente di dilatazione termica di un solido

3 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA IN GENERALE
“Dilatazione termica: fenomeno fisico che consiste nell’aumento delle dimensioni di un corpo in seguito a un incremento della temperatura. L'entità dell'espansione varia a seconda della natura del materiale che costituisce il corpo e del suo stato di aggregazione, solido, liquido o gassoso.” Tutti i corpi, sottoposti ad una variazione di temperatura, subiscono deformazioni più o meno evidenti. TEMPERATURA Questi fenomeni determinano un incremento della distanza media tra le molecole, per cui il risultato finale si traduce in un aumento del volume. VELOCITA’ URTI L’entità della deformazione subita viene calcolata confrontando le dimensioni spaziali del corpo prima e dopo la variazione della temperatura DISTANZA MEDIA FRA LE MOLECOLE

4 LA DILATAZIONE TERMICA SIMMETRICAMENTE
LA DILATAZIONE TERMICA IN GENERALE LA DILATAZIONE TERMICA TEMPERATURA VELOCITA’ SIMMETRICAMENTE URTI VOLUME

5 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI
Fenomeno di cui tener conto. Esempi: sbarra di metallo – ponte – rotaie DILATAZIONE LINEARE DILATAZIONE SUPERFICIALE DILATAZIONE CUBICA

6 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: lineare
: allungamento : incremento della temperatura

7 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: lineare
Sostituendo…

8 a il significato fisico
LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: lineare Legge di dilatazione termica lineare Coefficiente di dilatazione termica lineare [T-1] a il significato fisico “rappresenta numericamente la variazione della lunghezza subita da una sbarretta di lunghezza unitaria per la variazione di temperatura di 1°C”

9 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: lineare
Caratteristiche di a: Ogni sostanza ha il suo caratteristico Ordine di grandezza 10-6 °C-1 Materiale a (oC-1) Materiale a (oC-1) Acciaio * 10-6 Acetone ,9 * 10-4 Alluminio * 10-6 Acqua ,1 * 10-4 Argento * 10-6 Alcool ,2 * 10-4 Ferro * 10-6 Benzolo ,4 * 10-4 Ottone e bronzo * 10-6 Glicerina ,1 * 10-4 Rame * 10-6 Mercurio ,82 * 10-4 Vetro * 10-6 Petrolio ,5 * 10-4 Vetro pyrex ,2 * 10-6 Benzina ,6 * 10-4 Piombo * 10-6 Aria ,67 * 10-3 Cemento * 10-6 Elio ,665 * 10-3 Oro ,3 * 10-6 Olio d’oliva ,74 * 10-3

10 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: lineare
Dispositivo che consente di osservare la dilatazione termica lineare

11 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: lineare

12 LA DILATAZIONE TERMICA b
LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: superficiale Se la dilatazione interessa due dimensioni: superficie b Quadrato di un binomio

13 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: superficiale
Legge di dilatazione termica superficiale Coefficiente di dilatazione termica superficiale Significato fisico Solido isotropo: la conducibilità termica è la stessa in ogni direzione

14 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: cubica
Passaggi analoghi Legge di dilatazione termica cubica Coefficiente di dilatazione termica cubica Significato fisico Notiamo che:

15 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: cubica
Anello di Gravesand

16 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI LIQUIDI dilatometro
La maggior parte dei liquidi si dilata all’aumentare della temperatura. Non ha senso parlare di dilatazioni lineari o superficiali ma solo VOLUMICHE. dilatometro TUBICINO CON GRADAZIONE TERMOMETRO recipiente RECIPIENTE CON H2O CALDA ALLA TEMPERATURA t

17 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI LIQUIDI

18 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI LIQUIDI
Dilatazione apparente: LN Dilatazione vera o assoluta: aumento di volume subito dal liquido. Dilatazione del recipiente: aumento di volume subito dal recipiente DVass=DVapp+DVrec Legge di dilatazione termica dei liquidi Dipende dalla sostanza Dipende dalla temperatura (lieve) o.d.g °C-1

19 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI LIQUIDI:
Comportamento dell’acqua >4°C: volume aumenta al crescere della T 0°C - 4°C: volume diminuisce al crescere della T T=4°C il volume è minimo d=m/V: la densità è massima Comportamento anomalo

20 LA DILATAZIONE TERMICA
LA DILATAZIONE TERMICA DELL’ACQUA apparecchio di Hope Recipiente pieno d’acqua 15°C-20°C Termometro T1 Recipiente ghiaccio e sale Termometro T2

21 LA DILATAZIONE TERMICA
LA DILATAZIONE TERMICA DELL’ACQUA apparecchio di Hope T1 T2 Inizialmente: Temperatura segnata da T1: cost. Temperatura segnata da T2: si abbassa rapidamente sino a 4°C Poi: Temperatura segnata da T1: si abbassa fino a 0°C Temperatura segnata da T2: 4°C SE il raffreddamento viene protratto: L’acqua in superficie: ghiaccia Temperatura segnata da T2: 4°C

22 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS
La parola "gas" fu coniata da un chimico fiammingo belga Jean Baptiste Van Helmont nel Sembra derivi, come spiegò Leo Meyer, dalla trascrizione della sua pronuncia della parola greca Χαος (caos) che lui fece diventare geist; ma Weigand e Scheler interprerarono l'origine etimologica dal tedesco gascht (fermentazione): quindi sarebbe, secondo loro, inizialmente usata dal chimico Van Helmont per indicare la fermentazione vinosa. Il chimico di Bruxell Van Helmont all'età di 63 anni fu il primo a postulare l'esistenza di sostanze distinte nell'aria che così chiamò nei suoi saggi pubblicati dal figlio Mercurio Van Helmont. Pochi anni dopo l'irlandese chimico Robert Boyle enunciò che l'aria era costituita da atomi e da vuoto e solo dopo 140 anni le affermazioni di Boyle e di Van Helmont si dimostreranno vere

23 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS Un po’ di storia
J. A. Charles O H N si dilatano egualmente entro intervalli di temperatura molto estesi. 1791 Alessandro Volta: dimostrò che il coefficiente di dilatazione dell’aria a pressione costante: Joseph Louis Gay-Lussac ( ) chimico-fisico francese che la formulò la legge di dilatazione dei gas nel 1802. Trovò che il coefficiente di dilatazione per i gas a pressione costante è Henry Victor Regnault nel 1841 completò e perfezionò gli studi dei suoi predecessori. Tutti gli aeriformi lontani dal loro punto di liquefazione hanno lo stesso comportamento termico e il loro coefficiente di dilatazione a pressione costante è Curiosità:Un cratere lunare di 46 Km di diametro sul lembo nord-occidentale, nei pressi del Sinus Roris porta il suo nome.

24 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS
Quando succede un innalzamento di temperatura, nei gas le molecole di muovono più velocemente scontrandosi con il recipiente con più forza, provocano di conseguenza un aumento di pressione. Se riscaldiamo il gas in un recipiente chiuso ma non ermeticamente, cioè avente una parete mobile, si nota che la parete comincia a salire fino ad un certo punto aumentando così il volume del recipiente che racchiude il gas; si ha quindi nei gas un collegamento stretto tra volume e pressione infatti le formule, anche se teoricamente diverse, portano ad un risultato coincidente I gas sono facilmente comprimibili e non hanno un volume proprio! Affinché il volume sia definito occorre precisare anche il valore della pressione Apparato per lo studio della dilatazione termica dei gas

25 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS
Sperimentalmente si verifica 1° legge di Gay-Lussac coefficiente di dilatazione dell’aeriforme (P=cost) Costante: 3,366110-3°C-1 Significato fisico Perché tutti i gas hanno lo stesso coefficiente di dilatazione? Ripetendo l’esperienza…

26 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS
Per tutti i gas INDIPENDENTEMENTE DAL VOLUME INIZIALE il volume si annulla in corrispondenza dello zero assoluto della temperatura

27 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS:
Legge di G-L e temperatura assoluta t Misurata in °C 0°C Legame fra temperatura in gradi centigradi t con la temperatura assoluta T

28 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS:
Legge di G-L e temperatura assoluta Il volume di un gas direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta costanti

29 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA NELLA VITA QUOTIDIANA
la precisione di un orologio meccanico è limitata proprio dal fatto che le dimensioni delle sue parti mobili variano leggermente al variare della temperatura. Per ridurre questi inconvenienti, nella costruzione di strumenti di precisione si utilizzano leghe particolari, i cui coefficienti di dilatazione termica sono piccolissimi. Nella progettazione di macchinari, edifici, ponti occorre lasciare adeguati spazi liberi tra i diversi componenti, affinché i materiali (soprattutto i metalli) possano dilatarsi, senza deformare la struttura. Le forze che entrano in gioco nella dilatazione termica sono molto grandi (vedi esempio numerico), per questo motivo nelle costruzioni occorre permettere la dilatazione delle strutture

30 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA NELLA VITA QUOTIDIANA
Al fenomeno della dilatazione termica è dovuto anche il fatto che gli oggetti di vetro si rompono, se vengono riscaldati in modo non uniforme. Se, per esempio si mette un bicchiere sulla fiamma del gas, il suo fondo si riscalda, e quindi si dilata, più della parte superiore, ed il vetro si rompe; ma se, invece, si riscalda il bicchiere gradualmente ed in modo uniforme, in un bagno di acqua, esso non si rompe perché tutte le sue parti si dilatano ugualmente. I vetri speciali, come il pyrex, usati per le pentole resistenti al fuoco, sono caratterizzati da coefficienti di dilatazione termica minori di quello del vetro comune. La tecnologia moderna ci ha abituati alla possibilità che accadano determinati eventi a causa del variare della temperatura. Esistono dei dispositivi detti TERMOSTATI o TERMOREGOLATORI, dotati di una lamina, detta bimetallo, formata da due metalli con coefficienti di dilatazione termica significativamente diversi. Ne è un esempio un sistema di allarme antincendio.

31 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA NELLA VITA QUOTIDIANA
                                                                                          Termostato bimetallico In questo tipo di termostato una lamina bimetallica apre o chiude un circuito a seconda della temperatura dell’ambiente esterno. Essendo i due metalli a contatto caratterizzati da diversi coefficienti di dilatazione termica, un aumento della temperatura provoca un loro diverso allungamento: la lamina perciò si incurva verso il metallo a coefficiente di dilatazione minore (posto all'interno, in figura), aprendo il circuito e interrompendo l'erogazione del calore. A circuito chiuso, invece, il termostato si allunga nuovamente, ripristinando il contatto.

32 LA DILATAZIONE TERMICA LA DILATAZIONE TERMICA NELLA VITA QUOTIDIANA
Esempio numerico: Sbarra di acciaio lunga 50 m sezione di 5 cm2 DT=20°C Dl=12mm Per ottenere lo stesso risultato tramite l’applicazione di forze di trazione occorre applicare a ciascuno dei suoi estremi una forza di 24000N!!!! CONSEGUENZE: Se la dilatazione termica non avvenisse liberamente le stesse forze verrebbero applicate dalla sbarra sui corpi che si opporrebbero al loro allungamento

33 LA DILATAZIONE TERMICA ESPERIMENTO
MISURA DEL COEFFICIENTE DI DILATAZIONE TERMICA DI UN SOLIDO OBIETTIVO: misurare il coefficiente di dilatazione termica medio per un solido MATERIALI: 2 termometri dilatometro tubo di metallo sistema per generare vapore (riscaldatore, beuta con tappo a fori, tubi in gomma e vetro per il raccordo) MODALITA’:

34 LA DILATAZIONE TERMICA ESPERIMENTO
MISURA DEL COEFFICIENTE DI DILATAZIONE TERMICA DI UN SOLIDO Esecuzione: Temperatura in ingresso e in uscita: temperatura media Si noterà che se Tmedia=40°C-60°C-80°C misura difficile e imprecisa Suggerimenti ripetere l’operazione più volte – errori. Cambiare materiale