Principi di Dilatazione Termica: Solidi, Liquidi e Gas

Dilatazione Termica: Concetti Fondamentali e Applicazioni

La dilatazione termica è un fenomeno fisico per cui le dimensioni di un corpo (lunghezza, superficie o volume) aumentano all'aumentare della sua temperatura. Questo concetto si applica a diversi stati della materia, inclusi solidi, liquidi e gas.

Dilatazione Superficiale

È un concetto analogo all'espansione lineare, ma si applica a corpi che è preferibile considerare come regioni piane, come una lastra di metallo. Quando una certa quantità di calore viene trasmessa alla superficie dell'oggetto, quest'ultimo subirà un aumento delle sue dimensioni.

Esempio di Dilatazione Superficiale

Se S₀ è l'area iniziale di una lastra di metallo e θ₀ la sua temperatura iniziale, riscaldandola fino a una temperatura finale θ, l'area S₀ assumerà un valore finale pari a S.

Principi di Dilatazione dei Gas

I gas mostrano un comportamento di dilatazione termica molto più marcato rispetto a solidi e liquidi. L'aumento della temperatura di un gas incrementa il movimento delle sue molecole. Se il gas è contenuto in un recipiente, gli urti continui delle molecole contro le pareti del contenitore causano un aumento della pressione. Pertanto, nello studio dei gas, è fondamentale considerare le variazioni di temperatura, pressione e volume.

Possiamo distinguere tre casi principali nella dilatazione dei gas:

1. Dilatazione a Pressione Costante

   In questo caso, la pressione del gas rimane costante mentre l'aumento di temperatura provoca un incremento del volume. Questo fenomeno è simile a una dilatazione cubica. Il coefficiente di dilatazione di un gas a pressione costante è definito come l'aumento di volume per unità di volume quando la temperatura sale di un grado centigrado:

   

   Per calcolare il volume finale di un gas, è sufficiente moltiplicare il volume che esso ha a 0 gradi per l'espansione binomiale.

2. Dilatazione a Volume Costante

   Qui, il volume del gas rimane costante, e l'aumento di temperatura si traduce in un incremento della pressione. Il coefficiente di dilatazione di un gas a volume costante è l'aumento della pressione per unità di volume quando la sua temperatura aumenta di un grado Celsius. La formula è la seguente:

   

3. Variazione Simultanea di Pressione e Volume

   In questa situazione, si applica la Legge di Boyle, la quale afferma che, se la temperatura di un gas rimane costante, il volume che occupa è inversamente proporzionale alla pressione che agisce su di esso. Questa legge è particolarmente rilevante per lo studio dei gas perfetti.

Considerazioni Generali sulla Dilatazione dei Gas

• 1°. Tutti i gas permanenti, indipendentemente dalla loro densità o dalla quantità di umidità disciolta che contengono, così come tutti i vapori, si dilatano della stessa quantità per gradi uguali di calore.
• 2°. I gas permanenti, se riscaldati dal punto di congelamento al punto di ebollizione, aumentano il loro volume di 1/213,33 del loro volume iniziale per un termometro a 80 divisioni o di 1/266,66 per un termometro a 100 gradi.