MAPPA CONCETTUALE LA DILATAZIONE TERMICA IN GENERALE DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI Lineare...
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MAPPA MAPPA CONCETTUALECONCETTUALE
LA DILATAZIONE TERMICA IN GENERALE
DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI
Lineare
Superficiale
Cubica
DILATAZIONE TERMICA DEI LIQUIDI
comportamento dell’acqua
apparecchio di Hope
DILATAZIONE TERMICA DEI GAS
Un po’ di storia
1° legge di Gay-Lussac
Dilatazione dei gas e temperatura assoluta
EFFETTI DELLA DILATAZIONE TERMICA NELLA VITA QUOTIDIANA
ESPERIENZA DI LABORATORIO:Misura del coefficiente di dilatazione termica di un solido
Tutti i corpi, sottoposti ad una variazione di temperatura, subiscono deformazioni più o meno evidenti.
TEMPERATURA
VELOCITA’
URTI
Questi fenomeni determinano un incremento della distanza media tra le molecole, per cui il risultato finale si traduce in un aumento del volume.
“Dilatazione termica: fenomeno fisico che consiste nell’aumento delle dimensioni di un corpo in seguito a un incremento della temperatura.
L'entità dell'espansione varia a seconda della natura del materiale che costituisce il corpo e del suo stato di aggregazione, solido, liquido o gassoso.”
LA DILATAZIONE TERMICA IN LA DILATAZIONE TERMICA IN GENERALEGENERALE
DISTANZA MEDIA FRA LE MOLECOLE
L’entità della deformazione subita viene calcolata confrontando le dimensioni spaziali del corpo prima e dopo la variazione della temperatura
TEMPERATURA
VELOCITA’
URTI
LA DILATAZIONE TERMICA IN LA DILATAZIONE TERMICA IN GENERALEGENERALE
VOLUME
LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDILA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI
Fenomeno di cui tener conto.
Esempi: sbarra di metallo – ponte – rotaie
DILATAZIONE SUPERFICIALE
DILATAZIONE CUBICA
DILATAZIONE LINEARE
LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: linearelineare
0 : allungamento
00T
?),( 0 T
0TTT : incremento della temperatura
T
LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: linearelineare
T 0
T
0
Sostituendo…
LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: linearelineare
00 1 TT Legge di dilatazione termica lineare
Coefficiente di dilatazione termica lineare [T-1]
)( 00
0
TT
il significato fisico
“rappresenta numericamente la variazione della lunghezza subita da una sbarretta di lunghezza unitaria per la variazione di temperatura di 1°C”
LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: linearelineare
Caratteristiche di :
Ogni sostanza ha il suo caratteristico
Ordine di grandezza 10-6 °C-1
Materiale (oC-1)
Materiale (oC-1)
Acciaio 11 * 10 -6 Acetone 14,9 * 10 -4
Alluminio 24 * 10 -6 Acqua 2,1 * 10 -4
Argento 19 * 10 -6 Alcool 11,2 * 10 -4
Ferro 12 * 10 -6 Benzolo 12,4 * 10 -4
Ottone e bronzo 19 * 10 -6 Glicerina 5,1 * 10 -4
Rame 17 * 10 -6 Mercurio 1,82 * 10 -4
Vetro 9 * 10 -6 Petrolio 9,5 * 10 -4
Vetro pyrex 3,2 * 10 -6 Benzina 9,6 * 10 -4
Piombo 29 * 10 -6 Aria 3,67 * 10 -3
Cemento 12 * 10 -6 Elio 3,665 * 10 -3
Oro 14,3 * 10 -6 Olio d’oliva 0,74 * 10 -3
LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: linearelineare
Dispositivo che consente di osservare la dilatazione termica lineare
LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: linearelineare
LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: superficialesuperficiale
Se la dilatazione interessa due dimensioni: superficie
20
100 A
?)( TAA
220
220
10
21 211 TTATA
Quadrato di un binomio
0T
T 21
10 2
0
00 1 TTAA Coefficiente di dilatazione termica superficiale
LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: superficialesuperficiale
Legge di dilatazione termica superficiale
][)(
1
00
0
TTTA
AA Significato fisico
2 Solido isotropo: la conducibilità termica è la stessa in ogni direzione
LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: cubicacubica
Passaggi analoghi
00 1 TTVV Legge di dilatazione termica cubica
Coefficiente di dilatazione termica cubica
Notiamo che:
3
2
][)(
1
00
0
TTTV
VVSignificato fisico
LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: LA DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI: cubicacubica
Anello di Gravesand
LA DILATAZIONE TERMICA DEI LIQUIDILA DILATAZIONE TERMICA DEI LIQUIDI
La maggior parte dei liquidi si dilata all’aumentare della temperatura.
Non ha senso parlare di dilatazioni lineari o superficiali ma solo VOLUMICHE.VOLUMICHE.
dilatometro
recipiente
TUBICINO CON GRADAZIONE
TERMOMETRO
RECIPIENTE CON H2O CALDA ALLA TEMPERATURA t
LA DILATAZIONE TERMICA DEI LIQUIDILA DILATAZIONE TERMICA DEI LIQUIDI
LA DILATAZIONE TERMICA DEI LIQUIDILA DILATAZIONE TERMICA DEI LIQUIDI
Dilatazione apparente: LN
Dilatazione vera o assoluta: aumento di volume subito dal liquido.
Dilatazione del recipiente: aumento di volume subito dal recipiente
Vass=Vapp+Vrec
00 1 TTVV Legge di dilatazione termica dei liquidi
Dipende dalla sostanza
Dipende dalla temperatura (lieve)
o.d.g. 10-3 °C-1
LA DILATAZIONE TERMICA DEI LIQUIDI: LA DILATAZIONE TERMICA DEI LIQUIDI:
Comportamento dell’acquaComportamento dell’acqua
>4°C: volume aumenta al crescere della T
0°C - 4°C: volume diminuisce al crescere della T
T=4°CT=4°C
il volume è minimo
d=m/V: la densità è massima
Comportamento anomalo
LA DILATAZIONE TERMICA DELL’ACQUA LA DILATAZIONE TERMICA DELL’ACQUA apparecchio di Hopeapparecchio di Hope
Termometro T1
Termometro T2
Recipiente ghiaccio e sale
Recipiente pieno d’acqua 15°C-20°C
T1
T2
LA DILATAZIONE TERMICA DELL’ACQUA LA DILATAZIONE TERMICA DELL’ACQUA apparecchio di Hopeapparecchio di Hope
Inizialmente:
Temperatura segnata da T1: cost.
Temperatura segnata da T2: si abbassa rapidamente sino a 4°C
Poi:
Temperatura segnata da T1: si abbassa fino a 0°C
Temperatura segnata da T2: 4°C
SE il raffreddamento viene protratto:
L’acqua in superficie: ghiaccia
Temperatura segnata da T2: 4°C
LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS
La parola "gas" fu coniata da un chimico fiammingo belga Jean Baptiste Van Helmont nel 1630. Sembra derivi, come spiegò Leo Meyer, dalla trascrizione della sua pronuncia della parola greca Χαος (caos) che lui fece diventare geist; ma Weigand e Scheler
interprerarono l'origine etimologica dal tedesco gascht (fermentazione): quindi sarebbe, secondo loro, inizialmente usata dal chimico Van Helmont per indicare la fermentazione vinosa. Il
chimico di Bruxell Van Helmont all'età di 63 anni fu il primo a postulare l'esistenza di sostanze distinte nell'aria che così chiamò
nei suoi saggi pubblicati dal figlio Mercurio Van Helmont. Pochi anni dopo l'irlandese chimico Robert Boyle enunciò che l'aria era
costituita da atomi e da vuoto e solo dopo 140 anni le affermazioni di Boyle e di Van Helmont si dimostreranno vere
1791 Alessandro Volta: dimostrò che il coefficiente di dilatazione dell’aria a pressione costante:
1
270
1 C
J. A. Charles O H N si dilatano egualmente entro intervalli di temperatura molto estesi.
Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) chimico-fisico francese che la formulò la legge di dilatazione dei gas nel 1802. Trovò che il coefficiente di dilatazione per i gas a pressione costante è 1
6,266
1 C
LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS
Un po’ di storiaUn po’ di storia
Henry Victor Regnault nel 1841 completò e perfezionò gli studi dei suoi predecessori. Tutti gli aeriformi lontani dal loro punto di liquefazione hanno lo stesso comportamento termico e il loro coefficiente di dilatazione a pressione costante è
1
273
1 C
Curiosità:Un cratere lunare di 46 Km di diametro sul lembo nord-occidentale, nei pressi del Sinus Roris porta il suo nome.
LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS
I gas sono facilmente comprimibili e non hanno un volume proprio!
Affinché il volume sia definito occorre precisare anche il valore della pressione
Quando succede un innalzamento di temperatura, nei gas le molecole di muovono più velocemente scontrandosi con il recipiente con più forza, provocano di conseguenza un aumento di pressione. Se riscaldiamo il gas in un recipiente chiuso ma non ermeticamente, cioè avente una parete mobile, si nota che la parete comincia a salire fino ad un certo punto aumentando così il volume del recipiente che racchiude il gas; si ha quindi nei gas un collegamento stretto tra volume e pressione infatti le formule, anche se teoricamente diverse, portano ad un risultato coincidente
Apparato per lo studio della
dilatazione termica dei gas
LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS
00 1 TTVV
Sperimentalmente si verifica
Costante: 3,366110-
3°C-1
1° legge di Gay-Lussac
][)(
1
00
0
TTTV
VVcoefficiente di dilatazione dell’aeriforme (P=cost)
Significato fisico
Perché tutti i gas hanno lo stesso coefficiente di dilatazione?Ripetendo l’esperienza…
LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS
Per tutti i gas INDIPENDENTEMENTE DAL VOLUME INIZIALE il volume si annulla in corrispondenza dello zero assoluto della temperatura
qmxy
1
T
CC
15,273
110661,3 13
00 1 TTVV
LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS:LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS:
Legge di G-L e temperatura assoluta Legge di G-L e temperatura assoluta
00 1 TTVV t
Misurata in °C
0°CC15,273
1
C
tCV
CtC
VV
15,273
15,273
015,273
11
0
0
15,273Tt
Legame fra temperatura in gradi centigradi t con la temperatura assoluta
T
C
TVV
15,2730
LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS:LA DILATAZIONE TERMICA DEI GAS:
Legge di G-L e temperatura assoluta Legge di G-L e temperatura assoluta
costanti
Il volume di un gas direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta
la precisione di un orologio meccanico è limitata proprio dal fatto che le dimensioni delle sue parti mobili variano leggermente al variare della temperatura. Per ridurre questi inconvenienti, nella costruzione di strumenti di precisione si utilizzano leghe particolari, i cui coefficienti di dilatazione termica sono piccolissimi.
LA DILATAZIONE TERMICA NELLA VITA LA DILATAZIONE TERMICA NELLA VITA QUOTIDIANAQUOTIDIANA
Le forze che entrano in gioco nella dilatazione termica sono molto grandi (vedi esempio numerico), per questo motivo nelle costruzioni occorre permettere la dilatazione delle strutture
Nella progettazione di macchinari, edifici, ponti occorre lasciare adeguati spazi liberi tra i diversi componenti,
affinché i materiali (soprattutto i metalli) possano dilatarsi, senza deformare la struttura.
LA DILATAZIONE TERMICA NELLA VITA LA DILATAZIONE TERMICA NELLA VITA QUOTIDIANAQUOTIDIANA
Al fenomeno della dilatazione termica è dovuto anche il fatto che gli oggetti di vetro si rompono, se vengono riscaldati in modo non uniforme. Se, per esempio si mette un bicchiere sulla fiamma del gas, il suo fondo si riscalda, e quindi si dilata, più della parte superiore, ed il vetro si rompe; ma se, invece, si riscalda il bicchiere gradualmente ed in modo uniforme, in un bagno di acqua, esso non si rompe perché tutte le sue parti si dilatano ugualmente. I vetri speciali, come il pyrex, usati per le pentole resistenti al fuoco, sono caratterizzati da coefficienti
di dilatazione termica minori di quello del vetro comune.
La tecnologia moderna ci ha abituati alla possibilità che accadano determinati eventi a causa del variare della temperatura. Esistono dei dispositivi detti TERMOSTATI o TERMOREGOLATORI, dotati di una lamina, detta bimetallo, formata da due metalli con coefficienti di dilatazione termica significativamente diversi. Ne è un esempio un sistema di allarme antincendio.
In questo tipo di termostato una lamina bimetallica apre o chiude un circuito a seconda della temperatura dell’ambiente esterno. Essendo i due metalli a contatto caratterizzati da diversi coefficienti di dilatazione termica, un aumento della temperatura provoca un loro diverso allungamento: la lamina perciò si incurva verso il metallo a coefficiente di dilatazione minore (posto all'interno, in figura), aprendo il circuito e interrompendo l'erogazione del calore. A circuito chiuso, invece, il termostato si allunga nuovamente, ripristinando il contatto.
Termostato bimetallico
LA DILATAZIONE TERMICA NELLA VITA LA DILATAZIONE TERMICA NELLA VITA QUOTIDIANAQUOTIDIANA
LA DILATAZIONE TERMICA NELLA VITA LA DILATAZIONE TERMICA NELLA VITA QUOTIDIANAQUOTIDIANA
Esempio numerico:
Sbarra di acciaio lunga 50 m
sezione di 5 cm2
T=20°C
l=12mm Per ottenere lo stesso risultato tramite l’applicazione di forze di trazione occorre applicare a ciascuno dei suoi estremi una forza di 24000N!!!!
CONSEGUENZE:
Se la dilatazione termica non avvenisse liberamente le stesse forze verrebbero applicate dalla sbarra sui corpi che si opporrebbero al loro allungamento
ESPERIMENTOESPERIMENTO
MISURA DEL COEFFICIENTE DI DILATAZIONE TERMICA DI UN SOLIDO
OBIETTIVO: misurare il coefficiente di dilatazione termica medio per un solido
MATERIALI: 2 termometri
dilatometro
tubo di metallo
sistema per generare vapore (riscaldatore, beuta con tappo a fori, tubi in gomma e vetro per il raccordo)
MODALITA’:
ESPERIMENTOESPERIMENTO
MISURA DEL COEFFICIENTE DI DILATAZIONE TERMICA DI UN SOLIDO
Esecuzione:
Temperatura in ingresso e in uscita: temperatura media
Si noterà che se Tmedia=40°C-60°C-80°C misura difficile e imprecisa
Suggerimenti ripetere l’operazione più volte – errori. Cambiare materiale
)( 00
0
TT
![Lezione 7 Ponti (Azione termica).ppt [modalità compatibilità] Ponti 2014-15/Lezione 7... · forma strutturale, presenza e caratteristiche dei giunti di dilatazione massa ... è](https://static.fdocumenti.com/doc/165x107/5c673bd909d3f22d638b8751/lezione-7-ponti-azione-termicappt-modalita-compatibilita-ponti-2014-15lezione.jpg)
