Come calcolare il coefficiente di dilatazione termica

In ingegneria e scienza dei materiali, l'espansione 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. Iniziano con il materiale ad una data lunghezza e temperatura, dopodiché aumentano quest'ultima per vedere di quanto il materiale si espande. Attraverso questi dati, è possibile calcolare, infatti, il coefficiente di dilatazione termica.

Innanzitutto la prova consiste fondamentalmente nel collocare il materiale in una camera in cui si ha la possibilità di aumentare la temperatura fino a quando quest'ultimo si espande. Occorre registrare la lunghezza originale assieme ai gradi centigradi iniziali, e la lunghezza finale con la rispettiva temperatura. Le procedure specifiche e la configurazione della prova dipendono dal tipo di materiale e dalle sue dimensioni. Chiameremo la lunghezza originale del materiale L1 e la temperatura iniziale T1, facendo riferimento ai dati della prova.

Trovate e registrate la lunghezza finale del materiale, che chiameremo L2 e la sua temperatura, T2. Ora non vi resta altro che calcolare il coefficiente di espansione (COLE), mediante 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 a 110 gradi centigradi (T2), allora il coefficiente di espansione sarà pari al risultato di questa formula: COLE=(15-10)/[10*(110-75)] e quindi a 0,0143.

Infine come ultima cosa, raccogliete informazioni dai test: avete bisogno di dati che illustrano come la lunghezza originale del materiale si espande con i cambi di temperatura. È possibile ricavarli da precedenti misurazioni di espansione lineare effettuate sul materiale in questione, dai laboratori di fabbricazione, ad esempio. Il calcolo della dilatazione termica è necessario quando un solido dispone di uno spazio limitato per espandersi, e in genere questa situazione si presenta in caso di macchinari, ingranaggi o cerniere. Ogni materiale, infatti, ha un fattore di espansione specifico. Se non riuscite a ricavare questo tipo di informazioni, eseguite i test da soli.