Coefficiente di espansione termica
I solidi si espandono principalmente in risposta al riscaldamento e si contraggono al raffreddamento. Questa risposta al cambiamento di temperatura è espressa come il suo coefficiente di espansione termica.
Si usa il coefficiente di espansione termica:
- in espansione termica lineare
- in area di espansione termica
- nella dilatazione termica volumetrica
Queste caratteristiche sono strettamente correlate. Il coefficiente di espansione termica volumetrica può essere misurato per tutte le sostanze della materia condensata (liquidi e stato solido). L'espansione termica lineare può essere misurata solo allo stato solido ed è comune nelle applicazioni ingegneristiche.
Coefficienti di espansione termica per alcuni materiali comuni
L'espansione e la contrazione del materiale devono essere considerate quando si progettano grandi strutture, quando si usano nastri o catene per misurare le distanze per i rilievi del terreno, quando si progettano stampi per la fusione di materiale caldo, e in altre applicazioni ingegneristiche quando si prevedono grandi cambiamenti di dimensione dovuti alla temperatura. L'intervallo per α va da 10-7 per i solidi duri a 10-3 per i liquidi organici. α varia con la temperatura e alcuni materiali hanno una variazione molto alta. Alcuni valori per materiali comuni, dati in parti per milione per grado Celsius: (NOTA: Questo può anche essere in kelvin dato che i cambiamenti di temperatura sono un rapporto 1:1)| coefficiente di espansione termica lineare α | |
| materiale | α in 10-6/K a 20 °C |
| 60 | |
| BCB | 42 |
| Piombo | 29 |
| Alluminio | 23 |
| Ottone | 19 |
| 17.3 | |
| Rame | 17 |
| Oro | 14 |
| Nichel | 13 |
| 12 | |
| Ferro o acciaio | 11.1 |
| 10.8 | |
| Platino | 9 |
| 8.5 | |
| GaAs | 5.8 |
| Fosfuro di indio | 4.6 |
| Tungsten | 4.5 |
| Vetro, Pirex | 3.3 |
| 3 | |
| Invar | 1.2 |
| 1 | |
| Quarzo, fuso | 0.59 |
Applicazioni
Per le applicazioni che utilizzano la proprietà di espansione termica, vedere termometro bimetallico e a mercurio
La dilatazione termica è anche usata in applicazioni meccaniche per montare le parti l'una sull'altra, per esempio una boccola può essere montata su un albero rendendo il suo diametro interno leggermente più piccolo del diametro dell'albero, poi riscaldandola fino a farla aderire all'albero, e lasciandola raffreddare dopo che è stata spinta sull'albero, ottenendo così un 'shrink fit'.
Esistono alcune leghe con un CTE molto piccolo, utilizzate in applicazioni che richiedono cambiamenti molto piccoli nelle dimensioni fisiche in una gamma di temperature. Una di queste è l'Invar 36, con un coefficiente dell'ordine di 0,6x10-6. Queste leghe sono utili nelle applicazioni aerospaziali dove possono verificarsi ampie variazioni di temperatura.
Domande e risposte
D: Che cos'è il coefficiente di espansione termica?
R: Il coefficiente di espansione termica è la misura di quanto un solido si espande o si contrae in risposta alle variazioni di temperatura.
D: Quali sono i tre tipi di espansione termica?
R: I tre tipi di espansione termica sono l'espansione termica lineare, l'espansione termica areale e l'espansione termica volumetrica.
D: Qual è la differenza tra espansione termica lineare ed espansione termica volumetrica?
R: L'espansione termica lineare si riferisce alle variazioni di lunghezza, mentre l'espansione termica volumetrica si riferisce alle variazioni di volume.
D: Il coefficiente di espansione termica volumetrica può essere misurato per i liquidi?
R: Sì, il coefficiente di espansione termica volumetrica può essere misurato per tutte le sostanze condensate, compresi i liquidi.
D: In quale stato si può misurare l'espansione termica lineare?
R: L'espansione termica lineare può essere misurata solo allo stato solido.
D: Perché l'espansione termica lineare è comune nelle applicazioni ingegneristiche?
R: L'espansione termica lineare è comune nelle applicazioni ingegneristiche perché è importante per le strutture e i componenti che devono mantenere la loro forma e dimensione a temperature variabili.
D: I diversi tipi di espansione termica sono strettamente correlati?
R: Sì, i diversi tipi di espansione termica (lineare, areale e volumetrica) sono strettamente correlati.
