Come Calcolare la dilatazione termica di un corpo

Come calcolare la dilatazione termica di un corpo è uno degli argomenti di fisica della scuola. Esso si basa sul principio che tutti i corpi presentano vari gradi di deformazioni se la temperatura esterna varia. Tali deformazioni si calcolano quantitativamente attraverso formule specifiche. Il metodo migliore per capire come calcolare la dilatazione termica di un corpo è eseguire un esercizio di esempio. La dilatazione termica riguarda i corpi solidi, gassosi e liquidi.

• calcolatrice
• tabella dei coefficienti di dilatazione lineare
• foglio
• penna
• libro di fisica di scuola o università

Un qualsiasi corpo dotato di massa e volume può subire una dilatazione termica. Un aumento termico di un corpo materiale accompagna un aumento della velocità di vibrazione delle molecole che lo compongono. Tutto ciò determinerà un aumento della distanza media tra le molecole. Le molecole così occuperanno più spazio. Il risultato finale è un aumento del volume totale del corpo. Esistono comunque delle eccezioni in cui alcune delle dimensioni del corpo (altezza, larghezza o spessore) prevalgono in maniera evidente sulle altre. Di conseguenza nel calcolo della dilatazione termica di un corpo si potranno trascurare le minime variazioni numeriche delle dimensioni che cambiano di poco.

Si considera un esercizio come esempio. Bisogna calcolare l'allungamento di un bastone in acciaio della lunghezza di 70 metri quando sottoposto ad un'escursione termica di 50°C. È necessario utilizzare le formule per la dilatazione termica trovabili in qualsiasi libro di termodinamica o di fisica. Per determinare l'allungamento di una sbarra a seguito di un aumento della temperatura è necessario applicare una formula. La formula comprende la lunghezza iniziale del bastone, la variazione di temperatura ed il coefficiente di dilatazione termica lineare. La traccia dell'esercizio fornisce sempre la lunghezza iniziale del bastone e la variazione di temperatura. Il coefficiente di dilatazione lineare è variabile a seconda del metallo e si consulta nelle tabelle predisposte. Il coefficente termico dell'acciaio è 1.2x10-5°C-1. Esistono coefficienti di dilatazione termica dell'alluminio, ferro, oro, eccetera.

Quindi, sostituendo i valori numerici, si dovrà effettuare il calcolo di 1.2x10-5°C-1x70mx50°C. Nel caso di una diminuzione della temperatura la situazione risulta identica a quella appena descritta ed il risultato finale è però una diminuzione del volume del corpo. Si calcola la variazione delle dimensioni confrontando la lunghezza prima e dopo la variazione termica.
Il seguente link contiene un buon approfondimento sulla dilatazione termica: http://www.youmath.it/lezioni/fisica/termodinamica/3602-dilatazione-termica.html
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Nella vita di tutti i giorni ci sono numerosi esempi di espansione termica. Un esempio è la costruzione dei binari del tram o dei treni. La dilatazione termica è il principio su cui si basa il funzionamento del termometro per misurare la febbre. Infatti se la temperatura del corpo è alta, il liquido all'interno del termometro si riscalda e si espande. Quindi, indica quanta febbre ha il soggetto ammalato. La dilatazione termica è uno dei fattori da considerare anche nella costruzione di ponti.
Bisogna fare attenzione: l'acqua è un liquido che fa eccezione. Infatti tra gli 0°C e i 4°C l'acqua non aumenta di volume bensì diminuisce, quindi non si espande. A 4°C l'acqua raggiunge la sua massima densità. Oltre i 4°C, l'acqua subisce dilatazione termica come tutti i liquidi. Questo comportamento anomalo dell'acqua dipende dalla composizione delle sue molecole.

Infine, il coefficiente di dilatazione lineare si misura in °C-1 oppure in K-1, a seconda se si usano i gradi centigradi o i gradi Kelvin. È importante mettere sempre le unità di misura. Infatti la loro mancanza è un errore nei compiti in classe e non solo.

• scrivere le unità di misura
• studiare le formule di fisica
• Fare piccoli semplici esperimenti in casa per capire la dilatazione termica nella vita quotidiana

• pprofondimento dilatazione termica di liquidi e gas