Termometri, dirigibili, mongolfiere... funzionano grazie alla proprietà dei liquidi e degli aeriformi di dilatarsi. Un tempo ormai lontano si pensava che il fuoco, insieme a terra, aria e acqua fosse uno degli elementi fondamentali che formava ogni oggetto. Sappiamo da un pezzo che, mentre aria, acqua e terra sono in effetti complessi composti di sostanze varie, il fuoco non è in realtà formato da materia, ma è una espressione dell’energia termica resa evidente dai colori delle sostanze che sono volatilizzate. Avete presente i fuochi d’artificio? Ma questa gamma di colori è possibile osservarla anche in una candela o ammirando la legna che brucia nella stufa.
Oggi però più che degli effetti speciali cromatici ci occuperemo degli effetti dell’energia termica sui fluidi. Quindi entreranno di nuovo in gioco le “sorelle” del fuoco: aria e acqua. L’energia termica è anche definita più semplicemente calore e non è da non confondere con la temperatura. Un fiammifero sulla fiamma ha un’elevata temperatura ma basso calore; al contrario un termosifone ha temperatura meno elevata ma maggior calore. In generale l’effetto del calore sui liquidi o sugli aeriformi è quello di provocare una dilatazione, un allontanamento delle molecole le une dalle altre per cui la densità del fluido diminuisce e quindi la sostanza diventa più leggera.
Questo vale sia per l’aria sia per l’acqua e ovviamente per ogni altro fluido. In quegli affascinanti mezzi di trasporto che erano molto in voga all’inizio del XX secolo, ovvero le mongolfiere, si utilizzava per far “galleggiare” il pallone in aria, con il suo cestello e relativi passeggeri, proprio un fluido a minor densità dell’aria circostante, cioè idrogeno oppure aria calda prodotta con appositi bruciatori ospitati dal cestello. La versione maxi delle mongolfiere era costituita in quei decenni dai giganteschi dirigibili transoceanici sostenuti da involucri riempiti con idrogeno o elio.
Se scaldandoli i fluidi si dilatano, il raffreddamento produce l’effetto opposto, ovvero i fluidi si contraggono, diventano più pesanti e tendono a scendere. Alcune leggi fisiche, come l’equazione di stato dei gas perfetti, mettono in relazione proprio le grandezze temperatura, volume e pressione. Questi fenomeni hanno un effetto anche sulla variazione di pressione, come vedremo in alcune schede operative di seguito proposte.
Modalità di Diffusione dell'Energia Termica
Quello dell’aria che sale è un moto convettivo ed è uno dei tre modi di diffusione dell’energia termica. Il calore, in questo caso, è trasportato direttamente da molecole in movimento. Nella diffusione per conduzione si ha, invece, semplice trasferimento di calore per contatto, come capita quando una mano calda scalda l’altra fredda semplicemente toccandola. Infine, la diffusione per irraggiamento è quella che avviene in assenza di materia attraverso onde termiche e spiega perché il calore del Sole arriva fino a noi.
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Si parla anche di celle convettive, nel senso che il fluido scaldato salendo si raffredda e inizia a scendere mentre il suo posto viene preso da altro fluido scaldato in basso dalla fonte di calore.
Dilatazione Termica: Definizione e Spiegazione
La dilatazione termica è un fenomeno fisico che avviene quando in un corpo sia liquido, sia gassoso, sia solido si verifica un cambiamento di volume a causa di un riscaldamento o di un raffreddamento. Dal punto di vista microscopico, ciò può essere spiegato con la variazione dell'oscillazione degli atomi attorno ad un punto di equilibrio, che normalmente viene identificato con la lunghezza di legame. A livello macroscopico ciò si traduce in un aumento del volume del materiale con l'aumento della temperatura.
La maggior parte dei corpi si dilata se viene riscaldata. Questa caratteristica, che all’apparenza potrebbe sembrare trascurabile, è invece ricca di conseguenze ed applicazioni osservabili anche quotidianamente. Per esempio, come già anticipato nella sezione della temperatura è sfruttando la dilatazione che si basa il principio di funzionamento di un termometro; oppure è per evitare problemi derivanti della dilatazione che spesso i ponti hanno delle fessure tra una zona e l’altra.
Dilatazione Lineare, Superficiale e Cubica
Dal punto di vista sperimentale è facilmente ricavabile la relazione fisica della dilatazione lineare. La λ è detta anche coefficiente di dilatazione lineare il cui valore varia al variare della sostanza di cui è costituita la sbarretta. Per dilatazione cubica dei solidi si intende la dilatazione tipica di un oggetto che non ha una o più dimensioni trascurabili. Quando si parla di “dimensione trascurabile” in fisica è sempre necessario fare attenzione. la dilatazione termica avviene lungo ciascuna delle sue tre dimensioni nello spazio.
Domanda tipica dei professori: “Che dimensioni ha λ ?” In fisica è molto importate avere una conoscenza ragionata delle leggi. Una domanda tipica che alcuni professori fanno è quella relativa alle dimensioni di λ.
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Esempi Pratici di Dilatazione Termica
Per riuscire a svitare facilmente il tappo di metallo da un barattolo di vetro ti sarà forse capitato di doverlo mettere sotto un getto di acqua calda. questo modo il tappo si “allarga” un po’, si dice che si dilata. Come spiegare questo fenomeno? continua agitazione, che aumenta con l’aumentare della temperatura. dimensioni del corpo stesso. Il fenomeno prende il nome di dilatazione termica. dall’acqua calda si sarà dilatato, ma in misura minore.
Sfruttando la dilatazione termica dei corpi si sono costruiti i termometri, gli strumenti per la misura della temperatura. Molto usato è anche l’alcol. Anche i gas e i vapori si dilatano con il calore. si dilatano in tutte le direzioni in modo ancora maggiore dei liquidi.
Esperimenti Dimostrativi
- Passaggio inverso: si lascia raffreddare la bottiglia, l’aria si contrae e il palloncino torna floscio.
- Si immergerà in acqua calda e si vedrà la salita dell’acqua colorata lungo il tubicino, tanto più quanto più l’acqua sarà calda. La discesa dell’acqua avverrà con il raffreddamento.
- Introduciamo il ghiaccio nella bottiglietta e tappiamo. Il raffreddamento causa una contrazione dell’aria e quindi una diminuzione di pressione.
- Si impugna il bastoncino all’estremità opposta e si pone la spirale sopra la fiamma. Il moto convettivo dell’aria scaldata metterà in rotazione la spirale.
- “piena” d’aria ( a ). Dopo aver scaldato l’aria per qualche minuto, il palloncino si gonfia segnalando la dilatazione dell’aria ( b ).
- sospesa a una catenella. non passa più ( b ), ( c ). La sfera riscaldata si è dilatata in modo uniforme in tutto il suo volume. Quando si raffredda si contrae, riducendo di nuovo il suo volume.
- minima, la dilatazione non è molto evidente, ma è un fenomeno di grande importanza soprattutto per chi progetta e costruisce ponti e ferrovie.
- latte aumenta di volume e durante l’ebollizione può sbordare dalla pentola. latte, che si dilata. evidente.
- colorata e chiusa con un tappo forato in cui si inserisce un tubicino ( a ).
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