Calcolatore di Espansione Termica

L'idea alla base di questo calcolatore di espansione termica è semplice — se riscaldi un materiale, si espande. Se lo raffreddi, si restringe. Ma di quanto? Dipende dalla proprietà del materiale chiamata "coefficiente di espansione termica". In questo articolo spieghiamo questo concetto in modo più dettagliato. Se vuoi imparare l'equazione dell'espansione termica, continua a leggere!

Cominciamo con il concetto generale di espansione termica — perché avviene? Ogni materiale è composto da molecole più o meno dense. Quando aumentiamo la temperatura di un materiale, in realtà forniamo energia (se non ci credi, prova il calcolatore del calore specifico). Ovviamente, l'energia non può scomparire; cambia semplicemente forma in energia cinetica (vedi calcolatore di energia cinetica).

Quando le molecole hanno un'energia cinetica più alta, iniziano a muoversi di più. Puoi immaginare che più si muovono, più devono stare lontane l'una dall'altra. Quando la separazione tra le molecole aumenta, il materiale si espande. Questa espansione può anche causare tensioni (vedi calcolatore di sforzo termico 🇺🇸).

L'espansione lineare è monodimensionale. La osserviamo tipicamente in tutti gli oggetti in cui la lunghezza è molto più lunga della larghezza. I binari della ferrovia sono un buon esempio. Hai notato che i binari non sono continui ma piuttosto composti da centinaia di pezzi separati da piccoli spazi (chiamati stecche di giunzione)? È a causa dell'espansione termica. Durante le estati estreme (40 °C), un binario può essere più lungo di 0,048% rispetto a 0 °C. Può sembrare poco, ma se un binario ha una lunghezza di 1 km, la differenza di lunghezza raggiunge i 48 cm! Naturalmente, non significa che i binari si espandono solo in una direzione; trascuriamo l'aumento dell'altezza e della larghezza, che sono più volte inferiori.

L'espansione volumetrica, invece, è tridimensionale. Se un materiale è isotropo (ha le stesse proprietà in tutte le direzioni), si espande in modo uniforme. Facciamo un esempio reale — apriamo un barattolo di vetro chiuso con un coperchio di metallo. Potresti trovare difficoltà, ma dopo aver versato dell'acqua calda sul coperchio, questo cede più facilmente. Questo accade perché il coperchio si espande molto più velocemente del vetro.

Esiste anche un terzo tipo di espansione termica — l'espansione bidimensionale dell'area. Puoi fare un esempio di questo fenomeno?

Il nostro calcolatore di espansione termica utilizza una semplice formula per trovare l'espansione termica di qualsiasi oggetto. Le equazioni per l'espansione lineare e volumetrica sono molto simili:

Espansione lineare: ΔL = aL₁(T₂ - T₁); e

Espansione volumetrica: ΔV = bV₁(T₂ - T₁)

dove:

• T₁ — Temperatura iniziale;
• T₂ — Temperatura finale;
• ΔL — Variazione della lunghezza dell'oggetto;
• L₁ — Lunghezza iniziale;
• a — Coefficiente di espansione lineare;
• ΔV — Variazione del volume dell'oggetto;
• V₁ — Volume iniziale; e
• b — Coefficiente di espansione volumetrica.

Utilizza il calcolatore di espansione termica per trovare la variazione di lunghezza o di volume — digita semplicemente altri valori e vedrai che farà tutto il lavoro per te!

I coefficienti di espansione lineare e volumetrica sono i tassi di espansione di un materiale. Per i materiali isotropi, questi due coefficienti sono correlati: b = 3a.

Di seguito trovi un elenco dei coefficienti di espansione lineare più comuni:

• Alluminio: 22,2×10⁻⁶/K;
• Calcestruzzo: 14,5×10⁻⁶ / K;
• Rame: 16,6×10⁻⁶ / K;
• Vetro: 5,9×10⁻⁶ / K;
• Ghiaccio: 51×10⁻⁶ / K;
• Argento: 19,5×10⁻⁶ / K;
• Acciaio: 12,0×10⁻⁶ / K;
• Legno, parallelo alle venature: 3×10⁻⁶ / K; e
• Legno, trasversale (perpendicolare) alle venature: 30×10⁻⁶ / K.