È noto che sotto l'influenza del calore le particelle accelerano il loro movimento caotico. Se riscaldi un gas, le molecole che lo compongono si disperderanno semplicemente l'una dall' altra. Il liquido riscaldato aumenterà prima di volume, quindi inizierà ad evaporare. Cosa accadrà ai solidi? Non tutti possono cambiare il proprio stato di aggregazione.
Definizione espansione termica
L'espansione termica è un cambiamento nelle dimensioni e nella forma dei corpi con un cambiamento di temperatura. Matematicamente, è possibile calcolare il coefficiente di espansione volumetrica, che consente di prevedere il comportamento di gas e liquidi al variare delle condizioni esterne. Per ottenere gli stessi risultati per i solidi, è necessario tenere conto del coefficiente di dilatazione lineare. I fisici hanno individuato un'intera sezione per questo tipo di ricerca e l'hanno chiamata dilatometria.
Ingegneri e architetti hanno bisogno di conoscenze sul comportamento di diversi materiali sotto l'influenza di alte e basse temperature per la progettazione di edifici, la posa di strade e tubazioni.
Espansione del gas
Termicol'espansione dei gas è accompagnata dall'espansione del loro volume nello spazio. Questo è stato notato dai filosofi naturali nei tempi antichi, ma solo i fisici moderni sono riusciti a costruire calcoli matematici.
Prima di tutto, gli scienziati si sono interessati all'espansione dell'aria, poiché sembrava loro un compito fattibile. Si misero al lavoro così zelantemente che ottennero risultati piuttosto contraddittori. Naturalmente, la comunità scientifica non era soddisfatta di un simile risultato. L'accuratezza della misurazione dipendeva dal termometro utilizzato, dalla pressione e da una varietà di altre condizioni. Alcuni fisici sono addirittura giunti alla conclusione che l'espansione dei gas non dipende dalle variazioni di temperatura. O questa dipendenza è incompleta…
Opere di D alton e Gay-Lussac
I fisici continuerebbero a discutere fino a quando non saranno rauchi o avrebbero abbandonato le misurazioni se non fosse stato per John D alton. Lui e un altro fisico, Gay-Lussac, sono stati in grado di ottenere indipendentemente gli stessi risultati di misurazione nello stesso momento.
Lussac ha cercato di trovare il motivo di così tanti risultati diversi e ha notato che alcuni dei dispositivi al momento dell'esperimento contenevano acqua. Naturalmente, nel processo di riscaldamento, si è trasformato in vapore e ha cambiato la quantità e la composizione dei gas studiati. Pertanto, la prima cosa che ha fatto lo scienziato è stata asciugare accuratamente tutti gli strumenti che ha utilizzato per condurre l'esperimento ed escludere anche la minima percentuale di umidità dal gas in studio. Dopo tutte queste manipolazioni, i primi esperimenti si sono rivelati più affidabili.
D alton ha affrontato questo problema più a lungosuo collega e pubblicò i risultati proprio all'inizio del XIX secolo. Asciugò l'aria con vapore di acido solforico e poi la riscaldò. Dopo una serie di esperimenti, John è giunto alla conclusione che tutti i gas e il vapore si espandono di un fattore 0,376. Lussac ha ottenuto il numero 0,375. Questo è diventato il risultato ufficiale dello studio.
Elasticità del vapore acqueo
L'espansione termica dei gas dipende dalla loro elasticità, cioè dalla capacità di ritornare al loro volume originario. Ziegler fu il primo a indagare su questo problema a metà del diciottesimo secolo. Ma i risultati dei suoi esperimenti variavano troppo. Cifre più attendibili sono state ottenute da James Watt, che ha utilizzato un calderone per le alte temperature e un barometro per le basse temperature.
Alla fine del XVIII secolo, il fisico francese Prony tentò di ricavare un'unica formula che descrivesse l'elasticità dei gas, ma si rivelò troppo ingombrante e difficile da usare. D alton ha deciso di testare tutti i calcoli empiricamente, utilizzando un barometro a sifone per questo. Nonostante il fatto che la temperatura non fosse la stessa in tutti gli esperimenti, i risultati sono stati molto accurati. Così li pubblicò come una tabella nel suo libro di testo di fisica.
Teoria dell'evaporazione
L'espansione termica dei gas (come teoria fisica) ha subito vari cambiamenti. Gli scienziati hanno cercato di andare a fondo dei processi mediante i quali viene prodotto il vapore. Anche in questo caso si distinse il noto fisico D alton. Ha ipotizzato che qualsiasi spazio sia saturo di vapore gassoso, indipendentemente dal fatto che sia presente in questo serbatoio(stanza) qualsiasi altro gas o vapore. Pertanto, si può concludere che il liquido non evaporerà semplicemente entrando in contatto con l'aria atmosferica.
La pressione della colonna d'aria sulla superficie del liquido aumenta lo spazio tra gli atomi, lacerandoli ed evaporando, cioè contribuisce alla formazione di vapore. Ma la gravità continua ad agire sulle molecole di vapore, quindi gli scienziati hanno calcolato che la pressione atmosferica non ha alcun effetto sull'evaporazione dei liquidi.
Espansione dei fluidi
L'espansione termica dei liquidi è stata studiata parallelamente all'espansione dei gas. Gli stessi scienziati erano impegnati nella ricerca scientifica. Per fare ciò hanno utilizzato termometri, aerometri, vasi comunicanti e altri strumenti.
Tutti gli esperimenti insieme e ciascuno separatamente hanno confutato la teoria di D alton secondo cui i liquidi omogenei si espandono in proporzione al quadrato della temperatura a cui vengono riscaldati. Naturalmente, maggiore è la temperatura, maggiore è il volume del liquido, ma non c'era alcuna relazione diretta tra esso. Sì, e il tasso di espansione di tutti i liquidi era diverso.
L'espansione termica dell'acqua, ad esempio, inizia a zero gradi Celsius e continua quando la temperatura scende. In precedenza, tali risultati degli esperimenti erano associati al fatto che non è l'acqua stessa che si espande, ma il contenitore in cui si trova si restringe. Ma qualche tempo dopo, il fisico Deluca giunse comunque alla conclusione che la causa doveva essere ricercata nel liquido stesso. Decise di trovare la temperatura della sua massima densità. Tuttavia, non ci riuscì per negligenzaalcuni dettagli. Rumforth, che ha studiato questo fenomeno, ha scoperto che la densità massima dell'acqua è compresa tra 4 e 5 gradi Celsius.
Espansione termica dei corpi
Nei solidi, il principale meccanismo di espansione è un cambiamento nell'ampiezza delle vibrazioni del reticolo cristallino. In parole semplici, gli atomi che compongono la materia e sono rigidamente legati tra loro iniziano a “tremare”.
La legge di dilatazione termica dei corpi è formulata come segue: qualsiasi corpo di dimensione lineare L in processo di riscaldamento di dT (delta T è la differenza tra la temperatura iniziale e la temperatura finale), si espande di dL (delta L è la derivata del coefficiente di dilatazione termica lineare per la lunghezza dell'oggetto e la differenza di temperatura). Questa è la versione più semplice di questa legge, che per impostazione predefinita tiene conto del fatto che il corpo si espande in tutte le direzioni contemporaneamente. Ma per il lavoro pratico vengono utilizzati calcoli molto più macchinosi, poiché in re altà i materiali si comportano in modo diverso da quelli modellati da fisici e matematici.
Espansione termica della rotaia
Gli ingegneri fisici sono sempre coinvolti nella posa dei binari ferroviari, poiché possono calcolare con precisione quanta distanza dovrebbe esserci tra i giunti dei binari in modo che i binari non si deformino quando riscaldati o raffreddati.
Come accennato in precedenza, l'espansione lineare termica è applicabile a tutti i solidi. E la ferrovia non fa eccezione. Ma c'è un dettaglio. Cambiamento lineareavviene liberamente se il corpo non è influenzato dalla forza di attrito. Le rotaie sono rigidamente fissate alle traverse e saldate alle rotaie adiacenti, quindi la legge che descrive la variazione di lunghezza tiene conto del superamento di ostacoli sotto forma di resistenze lineari e di testa.
Se un binario non può cambiare la sua lunghezza, allora con un cambiamento di temperatura aumenta lo stress termico, che può sia allungarlo che comprimerlo. Questo fenomeno è descritto dalla legge di Hooke.
