IV.2. Dilatarea / Contractarea.
- IV.2.1. Dilatarea solidelor.
- IV.2.2. Dilatarea lichidelor.
- IV.2.3. Dilatarea gazelor.
- IV.2.4. Aplicațiile și consecințele fenomenelor de dilatare și contractare.
Dilatarea este fenomenul termic în care un corp își mărește volumul (adică dimensiunile) prin încălzire.
Contractarea este fenomenul termic în care un corp își micșorează volumul (adică dimensiunile) prin răcire.
IV.2.1. Dilatarea solidelor.
Solidele, în funcție de forma lor, se dilată diferit, astfel:
a) Solidele sub formă de bară (tije) prin încălzire își măresc lungimea, adică suferă o dilatare liniară.
b) Solidele sub formă de plăci (la care predomină două dimensiuni, având o grosime mică) prin încălzire își măresc aria, adică suferă o dilatare superficială (de suprafață).
c) Solidele sub formă de sferă (bilă) prin încălzire își măresc volumul, adică suferă o dilatare volumică.
La aceeași variație de temperatură unele corpuri se dilată mai mult, altele mai puțin. Fiecare material (substanță) este caracterizat printr-o mărime fizică numită coeficient de dilatare termică liniară, notată cu α.
Variația relativă a lungimii unei bare,
este direct proporțională cu variația temperaturii, Δt.
Constanta de proporționalitate dintre cele două variații este chiar coeficientul de dilatare termică liniară .
l = l0 ( 1 + α ∙ Δt )
l = lungimea barei dilatată (contractată)
l0 = lungimea barei înainte de încălzire
α = coeficientul de dilatare termică liniară a materialului din care este confecționată bara
Δt = variația temperaturii barei
În cazul dilatării volumice, se poate defini un coeficientul de dilatare termică volumică, γ ≈ 3α.
🔥 Experiment3. Dilatarea barelor metalice cu pirometrul cu cadran
Atenție! Acest experiment se efectuează numai de către profesori!
👀 Experimentul 3: Dilatarea barelor metalice cu pirometrul cu cadran
Materiale necesare:
3 pirometre cu cadran, 3 bare metalice diferite (fier, cupru și aluminiu), chibrit, spirt.
Descrierea experimentului:
- Pune spirt în tăvițele pirometrelor.
- Fixează bine bara cu șurubul pirometrului.
- Aprinde cu chibritul spirtul din tăviță.
- Observă pentru fiecare bară la ce diviziune a cadranului a urcat acul indicator.
Cel mai puțin a urcat acul la bara de fier și cel mai mult la bara de cupru, respectiv aluminiu.
Concluzia experimentului:
Barele metalice prin încălzire își măresc lungimea, unele mai puțin (fierul), altele mai mult (aluminiul, cuprul).
🔥 Experiment4. Dilatarea unei bile metalice
Atenție! Acest experiment se efectuează numai de către profesori!
👀 Experimentul 4: Dilatarea unei bile metalice
Materiale necesare:
O bilă metalică și un inel cu același diametru, clește metalic, spirtieră, chibrit, spirt
Descrierea experimentului:
- Verifică trecerea bilei prin inelul cu același diametru.
- Încălzește la flacăra spirtierei numai bila prin intermediul unui clește metalic, timp de 3-4 minute.
- Încearcă trecerea bilei încălzite prin inel.
- Ce observi?
Bila nu mai trece prin inel.
Concluzia experimentului:
Bila prin încălzire și-a mărit volumul, adică s-a dilatat volumic.
IV.2.2. Dilatarea lichidelor.
🔥 Experiment5. Dilatarea lichidelor.
Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu lichide calde să nu te arzi!
👀 Experimentul 5: Dilatarea lichidelor
Materiale necesare:
Două flacoane identice, două paiuri (poți folosi tubul de la pulverizatorul de geamuri), apă colorată (tempera), spirt (alcool sanitar), sursă de încălzire, vas cu apă, vas cu gura mai largă.
Descrierea experimentului:
- Găureşte dopul flaconului aproape cât diametrul paiului.
- Introdu forţat paiul în dop. Pentru etanşeizare, aplică pe lângă pai, de jur împrejur, silicon (miez de pâine umezit, superglue, ceară topită de la o lumânare).
- Umple ochi cele două flacoane, unul cu apă colorată şi celălalt cu alcool sanitar.
- Separat încălzeşte apa, răstoarn-o cu grijă într-un vas cu gura mai largă (preferabil din sticlă) şi introdu, în acelaşi timp, cele două flacoane cu lichide diferite.
- Ce observi ?
Lichidele prin încălzire urcă în tub, mai mult alcoolul și mai puțin apa.
Concluzia experimentului:
Lichidele prin încălzire își măresc volumul, unele mai puțin (apa), altele mai mult (alcoolul).
Lichidele prin încălzire își măresc volumul, adică se dilată volumic.
IV.2.3. Dilatarea gazelor.
🔥 Experiment6. Dilatarea aerului
Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu lichide calde să nu te arzi!
👀 Experimentul 6: Dilatarea aerului
Materiale necesare:
Un flacon de medicamente, apă colorată, tub cu cot de 90° (pai curbat), vas cu apă caldă.
Descrierea experimentului:
- Ia tubul cu cot de 90° şi cufundă-l cu capătul mai lung într-un vas cu apă colorată până ce în tub apare o coloană de lichid colorat.
- Suflă încet până ce această coloană ajunge aproape de cotul de 90°;
- Introdu tubul în dopul flaconului (după ce în prealabil l-ai găurit) cu extremitatea mai scurtă şi etanşeizează-l cu silicon. Astfel coloana de lichid colorat va închide aerul aflat în flacon.
- Aşază flaconul cu aer într-un vas cu apă caldă.
- Ce observi?
Observaţie:
Coloana de lichid colorat de pe ramura orizontală a tubului cotat a ieşit din tub, la încălzirea aerului din pahar.
Concluzia experimentului:
Gazele, prin încălzire, îşi măresc volumul, adică se dilată volumic. Aerul din flaconul închis de coloana de lichid colorat din tubul cotat, mărindu-şi volumul, nu mai are loc în flacon şi atunci iese din acesta, împingând coloana de lichid colorat.
Gazele prin încălzire, îşi măresc volumul, adică se dilată volumic.
Curiozități
1) Cum explicăm fenomenul de dilataţie la nivel microscopic? Atomii şi moleculele sunt într-o permanentă mişcare şi se ciocnesc între ei tot timpul. Prin încălzirea corpului, creşte viteza agitaţiei termice şi, implicit, numărul ciocnirilor dintre particule, ceea ce conduce la ocuparea unui spaţiu mai mare.
2) Există un aliaj, numit INVAR (fier ~64% și nichel ~36%), care nu se dilată aproape deloc, chiar la încălziri considerabile. Datorită coeficientului de dilatare termică foarte redus (cca.1,2x10−6 K−1), el este utilizat pentru realizarea de instrumente de precizie pentru ceasornicărie, topografie, aparate și etaloane de măsură etc.
3) Dilataţia la solide este de sute ori mai mică decât la lichide, iar dilataţia la lichide este de 2-10 ori mai mică decât la gaze.
4) Când un corp se dilată, densitatea lui scade datorită creșterii volumului corpului.
IV.2.4. Aplicațiile și consecințele fenomenelor de dilatare și contractare.
Aplicațiile și consecințele fenomenelor de dilatare și contractare
1) Termometrul cu lichid (alcool, mercur) funcționează pe baza dilatării lichidului, care la încălzire urcă în tubul capilar proporțional cu variația temperaturii lui.
2) Podurile metalice au numai un capăt fixat în beton armat, iar celălalt capăt este pus pe niște role care permit deplasarea capătului liber, atunci când vara se dilată sau când se contractă iarna.
3) La montarea șinelor de cale ferată se lasă un interval (o anumită distanță) între capetele acestora, numit rostul șinei, pentru a nu se deforma, vara când se dilată.
4) Cablurile electrice aeriene sunt astfel dimensionate încât lungimea lor ( l ) dintre doi stâlpi, să fie mai mare decât distanța dintre cei doi stâlpi, pentru a nu se rupe iarna când se contractă.
5) Conductele de apă caldă / gaze sunt prevăzute, din loc în loc, cu niște coturi (bucle) pentru a preveni deformarea acestora la variații mari de temperatură.
