2.1 Il termoscopio
Tutti conoscono le sensazioni di caldo e freddo, e queste sensazioni vengono
precisate con il concetto di stato termico o temperatura. Uno dei fenomeni più
importanti nel concetto di temperatura è la dilatazione termica dei corpi, cioè che
quando i corpi sono riscaldati si dilatano, aumentano di volume. Per questo
principio si basa il termoscopio, uno strumento capace di misurare la grandezza
fisica del corpo. Lo strumento è formato da un bulbo di vetro riempito con un
liquido come l’olio o il mercurio. Quando il bulbo è riscaldato, il liquido sale e
aumenta di volume.
L’equilibrio termico
Un corpo caldo e uno freddo, messi a contatto con l’ambiente, noteremo che quello
caldo si raffredda, mentre quello si riscalda, finché dopo un po’ di tempo i due
corpi hanno raggiunto l’equilibrio termico. Raggiungendo l’equilibrio termico
cessano tutti i fenomeni termici (Dilatazione e il cambiamento di stato). Per
misurare la temperatura bisognerebbe perfezionare il termoscopio aggiungendo una
scala termometrica che diventa un termometro.
2.2 Il termometro
Il termometro può essere fatto a mercurio. Se lo immergiamo nell’acqua,
raggiungere l’equilibrio
termico e si segna 0 sul cannello del termoscopio. Se
lo immergiamo nell’acqua bollente, il mercurio salirà e segnerà 100. Abbiamo
indicato la scala della temperatura che si chiama grado Celsius (°C) che viene
estesa sopra i 100° e sotto di 0°. Nel sistema internazionale la temperatura si
chiama kelvin che ha un valore uguale al grado Celsius, ma quando la temperatura
darà la fusione del ghiaccio (0°) corrisponderà a 273,15 K, l’ebollizione dell’acqua
(100°) corrisponderà 373,15 K.
Il liquido più usato comunemente nei termometri è il mercurio perché consente di
Misurare un intervallo di temperature piuttosto ampio.
2.3 La dilatazione termica lineare
Molti ponti metallici di solito non sono fissati alle estremità, per evitare che si
deformino a causa della dilatazione termica che lì porta ad allungarsi. Un esempio
molto semplice lo è la sbarra che ha un estremità fissa a contatto con un’asta
termicamente isolante. Aumentando la temperatura della sbarra, aumenta la
larghezza. Da questi esperimenti, notiamo che la temperatura passa da 0°C a t °C,
la lunghezza della sbarra passa dal valore lt = lo + lo t . dove è il coefficiente di
dilatazione lineare che varia a seconda del materiale. La legge della dilatazione è lt
= lo (1+ t). Un fenomeno della dilatazione lineare è il termometro metallico, uno
strumento costruito da una spirale metallica che ha un estremo fisso e un altro
estremo che è collegato a un indice dove è segnata una scala graduata. Quando la
temperatura aumenta, la molla si allunga l’estremo indice si sposta e l’indice inizia
a ruotare.
La legge della dilatazione lineare è approssimata
C’e una legge fenomenologica detta forza di Hooke (Legge della forza elastica) la
cui legge dice che l’allungamento è proporzionale all’aumento di temperatura
2.4 La dilatazione termica dei solidi
I solidi come sappiamo hanno tre dimensioni (Lunghezza, altezza e profondità).
Quando si parla di solidi, si parla di dilatazione volumica, ovvero che interessa
l’intero volume del corpo. Chiamando il Vo il volume di un corpo solido a O°C, il
volume Vt, alla temperatura. Il coefficiente alfa si chiama coefficiente di
dilatazione cubica che si dimostra che alfa è uguale 3λ.
Derivazione della legge della dilatazione volumica
La legge della dilatazione lineare è a = a0(1+λt). Per calcolare il volume della
temperatura si applica così:
Vt= abc= a0(1+λt) x B0(1+λt) x c0(1+λt) = a0b0c0(1+ λt)3
Una volta sviluppata questa formula si applica il cubo del binomio:
Vt= V0 [1 + 3λt + 3(λt)2 + (λt)3]
Questa formula, però, può essere ridotta al minimo e quindi la legge della
Dilatazione volumica di un solido è: Vt= V0 (1 + 3λt).
2.5 La dilatazione termica dei liquidi
I liquidi si dilatano maggiormente rispetto ai solidi, per l’estatezza 10 volte di più.
Il comportamento anomalo dell’acqua
L’acqua è un elemento liquido diverso dagli altri. La sua temperatura aumenta da
0°C a 4°C, il suo volume va a diminuire invece di aumentare. A quest’ultima
temperatura raggiunge la massima densità. Poiché aumenta per la legge di
Archimede va a un certo punto ad aumentare la temperatura va ad aumentare di
4°C il suo volume, ma la densità diminuisce. Prendendo una massa di ghiaccio che
galleggia nel fondo del mare noteremo che diventerà ghiaccio. Questo fenomeno
salva la vita ai pesci di un qualsiasi lago durante l’inverno.
2.6 La dilatazione termica dei gas
I gas aumentano di volume se sono mantenuti a una pressione costante. Per
controllare la pressione, si può mettere il gas in un recipiente chiuso da un pistone
mobile. Appoggiando o togliendo delle masse dal pistone , varia il valore della
pressione. Se riscaldiamo invece il gas, osserveremo che il pistone sale. Questa
legge è chiamata legge della dilatazione costante (1°legge di Gay-Lussac).La sua
formula che varia a seconda le sostanze l’esperienza che alfa è lo stesso per
tutti i gas.
1
1
Alfa = ------ -----273,15
°C
