Dilatarea termica a corpurilor solide, lichide si gaze

Dilatarea termica este fenomenul prin care dimensiunile unui corp se modifica atunci cand temperatura acestuia se schimba. Cand un corp este incalzit, particulele (atomi sau molecule) din care este ales incep sa vibreze mai rapid, iar distanta medie dintre ele creste. Acest lucru duce la marirea volumului corpului.

Invers, la racire, particulele vibreaza mai lent, distantele dintre ele se micsoreaza, iar corpul se contracta. Dilatarea se manifesta diferit la solide, lichide si gaze. La solide, dilatarea poate fi liniara (cresterea unei singure dimensiuni, de exemplu lungimea unei bare), de suprafata (cresterea ariei) sau volumica (cresterea volumului).

Coeficientul de dilatare liniara (α) caracterizeaza fiecare material solid si reprezinta variatia relativa a lungimii la o variatie de temperatura de 1°C (sau 1 K). De exemplu, otelul are α ≈ 12 × 10⁻⁶ /°C, iar aluminiul α ≈ 24 × 10⁻⁶ /°C. La lichide, dilatarea este intotdeauna volumica, deoarece lichidele nu au forma proprie.

Coeficientul de dilatare volumica a lichidelor (β) este mai mare decat cel al solidelor. Un exemplu interesant este apa, care are un comportament anormal: intre 0°C si 4°C, apa se contracta in loc sa se dilate, iar la 4°C are densitatea maxima. Acest fenomen este esential pentru viata acvatica iarna.

La gaze, dilatarea este si mai pronuntata. Pentru un gaz ideal, la presiune constanta, volumul este direct proportional cu temperatura absoluta (Legea lui Charles: V₁/T₁ = V₂/T₂, unde T este in Kelvin). La incalzirea cu 1°C, volumul unui gaz creste cu aproximativ 1/273 din volumul initial la 0°C.

In viata de zi cu zi, dilatarea are multe aplicatii: termometrele cu lichid (alcool sau mercur) functioneaza pe baza dilatarii lichidului; la poduri si cai ferate se lasa rosturi de dilatare pentru a preveni deformari sau ruperi; capacele metalice ale borcanelor se desfac mai usor daca le incalzim, deoarece metalul se dilata mai mult decat sticla. Este important de retinut ca toate starile de agregare (solida, lichida, gazoasa) se dilata la incalzire, dar cu intensitati diferite: gazele se dilata cel mai mult, urmate de lichide, iar solidele cel mai putin.

Exemple

• Exemplul 1: Dilatarea liniara a unei bare de otel. O bara de otel are lungimea de 5 m la 20°C. Coeficientul de dilatare liniara al otelului este α = 12 × 10⁻⁶ /°C. Sa se calculeze lungimea barei la 80°C. Rezolvare: Variatia de temperatura ΔT = 80 - 20 = 60°C. Variatia lungimii ΔL = L₀ × α × ΔT = 5 m × 12 × 10⁻⁶ /°C × 60°C = 5 × 720 × 10⁻⁶ = 3600 × 10⁻⁶ m = 0,0036 m = 3,6 mm. Lungimea finala L = L₀ + ΔL = 5 m + 0,0036 m = 5,0036 m.
• Exemplul 2: Dilatarea volumica a alcoolului intr-un termometru. Un termometru contine alcool cu volumul de 0,5 cm³ la 0°C. Coeficientul de dilatare volumica al alcoolului este β = 1100 × 10⁻⁶ /°C. Ce volum va ocupa alcoolul la 50°C? Rezolvare: ΔT = 50°C. Variatia volumului ΔV = V₀ × β × ΔT = 0,5 cm³ × 1100 × 10⁻⁶ /°C × 50°C = 0,5 × 55000 × 10⁻⁶ = 27500 × 10⁻⁶ cm³ = 0,0275 cm³. Volumul final V = V₀ + ΔV = 0,5 cm³ + 0,0275 cm³ = 0,5275 cm³. Observam ca volumul a crescut considerabil, ceea ce face ca alcoolul sa urce in tubul capilar al termometrului.
• Exemplul 3: Dilatarea unui gaz la presiune constanta. Un balon cu aer are volumul de 2 litri la temperatura de 27°C. Aflati volumul balonului daca temperatura creste la 87°C, presupunand ca presiunea ramane constanta. Rezolvare: Temperaturile trebuie exprimate in Kelvin: T₁ = 27 + 273 = 300 K, T₂ = 87 + 273 = 360 K. Aplicam legea lui Charles: V₁/T₁ = V₂/T₂ => V₂ = V₁ × T₂/T₁ = 2 L × 360 K / 300 K = 2 × 1,2 = 2,4 L. Asadar, volumul creste la 2,4 litri.

Concepte cheie: Dilatarea termica este cresterea dimensiunilor unui corp la incalzire si contractia la racire., Coeficientul de dilatare liniara (α) caracterizeaza dilatarea solidelor pe o singura directie., Lichidele si gazele se dilata volumic, coeficientul de dilatare volumica (β) fiind de aproximativ 3α pentru solide., Gazele se dilata cel mai mult, urmate de lichide, iar solidele cel mai putin., Apa are un comportament anormal: se contracta intre 0°C si 4°C, avand densitatea maxima la 4°C., Legea lui Charles: V₁/T₁ = V₂/T₂ (pentru gaze, la presiune constanta, in Kelvin)., Rosturile de dilatare la poduri si sinele de cale ferata previn deformarile si accidentele datorate variatiilor de temperatura.