Coefficiente di espansione termica
Coefficiente di espansione termica
Il coefficiente di espansione termica (CTE) descrive il grado di variazione delle dimensioni di un materiale con la temperatura. Viene tipicamente espresso in unità di misura per grado Celsius (°C-¹) o per Kelvin (K-¹). Sebbene l'esatta rappresentazione matematica del CTE comporti delle formule, il concetto ruota attorno alle variazioni lineari, areali o volumetriche che un materiale subisce al variare della temperatura.
Fattori che influenzano l'espansione termica
Diversi fattori influenzano il coefficiente di espansione termica dei materiali:
Composizione del materiale
Materiali diversi hanno CTE intrinsecamente diversi. Metalli,ceramiche, polimeri e materiali compositi rispondono in modo unico alle variazioni di temperatura in base alle loro strutture atomiche e molecolari.
Intervallo di temperatura
Il CTE può variare con la temperatura. Alcuni materiali presentano un'espansione lineare in determinati intervalli di temperatura, mentre altri possono avere comportamenti non lineari a temperature più alte o più basse.
Anisotropia strutturale
Imateriali anisotropi, che hanno proprietà dipendenti dalla direzione, possono espandersi in modo diverso lungo vari assi. Ciò è particolarmente importante in materiali come il legno o alcuni cristalli.
Sollecitazioni esterne
Le sollecitazioni preesistenti all'interno di un materiale possono influenzare il modo in cui si espande o si contrae al variare della temperatura. Le sollecitazioni residue derivanti dai processi di produzione possono alterare il CTE effettivo.
Fattori ambientali
L'esposizione a diversi ambienti, come l'umidità o l'esposizione a sostanze chimiche, può influenzare le proprietà di espansione termica dei materiali nel tempo.
Espansione termica dei materiali più comuni
La tabella seguente fornisce esempi di vari materiali e dei rispettivi coefficienti di espansione termica:
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Materiale |
Coefficiente di espansione termica (°C-¹) |
|
23 ×10-⁶ |
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Acciaio |
12 ×10-⁶ |
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Vetro |
9 ×10-⁶ |
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Calcestruzzo |
10 ×10-⁶ |
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Rame |
16.5 ×10-⁶ |
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Ottone |
19 ×10-⁶ |
|
8.6 ×10-⁶ |
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|
Polietilene |
100 ×10-⁶ |
|
Fibra di carbonio |
0.5 ×10-⁶ |
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Invar (lega) |
1.2 ×10-⁶ |
Espansione termica dei metalli più comuni
|
Metallo |
CTE (10-⁶/°C) |
|
Alluminio |
23.1 |
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Ottone |
19-21 |
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Bronzo (fosforo) |
17.6 |
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Rame |
16.5 |
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Oro |
14.2 |
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Ferro |
11.8 |
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Piombo |
28.9 |
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Magnesio |
25.2 |
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Nichel |
13.3 |
|
8.8 |
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Argento |
19.5 |
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Acciaio inox (304) |
16.0 |
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Acciaio inox (316) |
15.9 |
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Acciaio (carbonio) |
11.7-13.0 |
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Stagno |
22.0 |
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Titanio |
8.6-9.4 |
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4.5 |
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Zinco |
30.2 |
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Zirconio |
5.7 |
Domande frequenti
Qual è il significato del coefficiente di espansione termica in ingegneria?
Il coefficiente di espansione termica è fondamentale in ingegneria per la progettazione di strutture e componenti in grado di resistere alle variazioni di temperatura senza subire eccessive sollecitazioni o deformazioni. Garantisce l'integrità e la longevità dei materiali utilizzati in varie applicazioni.
Come influisce il coefficiente di espansione termica sugli oggetti di uso quotidiano?
Oggetti di uso quotidiano come ponti, ferrovie ed edifici si espandono e si contraggono con le variazioni di temperatura. La comprensione del loro CTE aiuta a progettare giunti di dilatazione e altri elementi che si adattano a questi movimenti, evitando danni strutturali.
Il coefficiente di espansione termica può essere negativo?
Sì, alcuni materiali presentano un'espansione termica negativa, ovvero si contraggono quando vengono riscaldati. Questi materiali sono relativamente rari e sono interessanti per le applicazioni speciali in cui è auspicabile una contrazione controllata.
Come si misura il coefficiente di espansione termica?
Il CTE si misura in genere con tecniche come la dilatometria, in cui si monitora la variazione di lunghezza o di volume di un materiale mentre viene riscaldato o raffreddato in condizioni controllate.
Il coefficiente di espansione termica varia con la purezza del materiale?
Sì, le impurità e gli elementi di lega possono influenzare in modo significativo il CTE di un materiale. I materiali puri hanno spesso caratteristiche di espansione diverse rispetto alle loro controparti in lega.
