Come calcolare il coefficiente di dilatazione termica

In ingegneria e nella scienza dei materiali, la dilatazione termica si riferisce al fenomeno attraverso il quale molti materiali ed alcune sostanze, come l'acciaio, si espandono con l'aumento della temperatura interna. Il coefficiente di dilatazione lineare misura la variazione di lunghezza rispetto alle variazioni della temperatura. In generale, quindi, i tecnici di laboratorio e i ricercatori eseguono dei test per determinare la portata di queste modifiche. Si inizia prendendo un provino di un determinato materiale ad una data lunghezza e temperatura, dopodiché si aumenta quest'ultima, che genererà una dilatazione del materiale facendolo allungare. Si può quindi misurare la lunghezza raggiunta dal provino, e dopo la fase di raccolta dati è possibile calcolare il coefficiente di dilatazione termica.

• Provino del materiale da esaminare
• Fonte in grado di generare aumenti di temperatura

Il coefficiente di dilatazione termica di un materiale è una proprietà che varia in base al materiale considerato. Il coefficiente indica la predisposizione di un materiale a dilatarsi o meno in seguito ad un incremento di temperatura. In particolar modo, data una determinata temperatura, un materiale con un alto coefficiente di dilatazione termica si espanderà più di un altro con un basso coefficiente.
Il coefficiente di dilatazione termica lineare considera l'allungamento, quindi l'espansione del materiale lungo una sola direzione.

La prova consiste nel collocare il provino del materiale scelto in un luogo in cui si ha la possibilità di aumentare la temperatura e monitorarla, infatti grazie all'aumento di questa il provino si allungherà di una certa quantità, poiché per quasi tutti i materiali ad un incremento della temperatura corrisponde un'espansione del materiale. Si vincola il provino in modo che esso non possa espandersi lateralmente ma solo lungo una direzione. Occorre poi registrare la lunghezza originale del provino assieme ai gradi centigradi iniziali, dopodiché si procede con l'aumento della temperatura fino al livello desiderato, per poi prendere le nuove misure del provino e vedere a quanto corrisponde la variazione di lunghezza. Le procedure specifiche da eseguire e la configurazione della prova dipendono dal tipo di materiale e dalle sue dimensioni.

Dopo aver raccolto i dati si procede al calcolo del coefficiente di dilatazione termica. Per maggiore chiarezza saranno definite la lunghezza originale del materiale L1 e la temperatura iniziale T1, mentre le grandezze misurate dopo l'incremento della temperatura saranno la lunghezza finale del materiale L2 e la sua temperatura raggiunta T2. Ora non resta altro che calcolare il coefficiente, denominato COLE, attraverso la formula COLE=(L2-L1)/[L1*(T2-T1)]. Per fare un esempio pratico, se L1 è pari a 10 centimetri a 75 gradi centigradi (T1) e se L2 è pari a 15 centimetri una volta raggiunti i 110 gradi centigradi (T2), allora il coefficiente di espansione sarà pari a: COLE=(15-10)/[10*(110-75)] e quindi a 0,0143.

Fatto ciò è consigliabile ripetere il test più volte, e prendere più misurazioni del coefficiente ottenute con lo stesso provino: la ripetizione dell'esperimento comporta la riduzione di errori grossolani, magari dovuti ad errori umani in fase d'impostazione, migliorando la precisione e l'accuratezza del risultato ottenuto. Al crescere dei test effettuati il risultato tenderà a stabilizzarsi attorno ad un valore ben preciso, che può quindi essere considerato il coefficiente di dilatazione termica esatto.

Per effettuare questi esperimenti bisogna avere un'attrezzatura adeguata, solitamente questi test sono svolti da esperti del settore che dispongono del necessario per effettuare le prove in completa sicurezza. A volte non basta possedere il provino, ma servono anche macchinari in grado di tenerlo immobile e vincolato lateralmente, permettendo la dilatazione termica solo lungo una direzione scelta, come proprio nel caso del coefficiente di dilatazione termica lineare. Replicare questi esperimenti in casa non è impossibile, ma serve prestare molta attenzione, ed i risultati potrebbero non essere ottimali.

• Effettuare i test con l'ausilio di professionisti del settore
• Prendere le dovute precauzioni prima di procedere

• Valori dei coefficienti di dilatazione termica di vari materiali
• Coefficiente dilatazione termica lineare