Che cos'è l'espansione termica?
Come risultato delle variazioni di temperatura, la materia cambia di volume. Questo concetto è noto come espansione termica. Mentre una sostanza si riscalda, le particelle all'interno della materia si muovono, diventando più attive all'aumentare della temperatura. Questa attività fa sì che le particelle necessitino di spazio aggiuntivo tra loro, allargando le dimensioni di un materiale. L'equazione per descrivere questo concetto è conosciuta come il coefficiente di espansione termica e può essere definita dal fatto che il grado di espansione è diviso per il cambiamento di temperatura in un materiale.
L'uso di determinati materiali solidi nelle costruzioni e nell'ingegneria è il risultato diretto di questa espansione termica. La necessità che gli oggetti mantengano la loro forma senza grandi distorsioni si traduce nella pratica comune di utilizzare metalli e materie plastiche. Ad esempio, un martello deve mantenere la sua forma quando le temperature aumentano per prevenire danni. Mentre questo principio è generalmente vero in base al tipo di materiale utilizzato, alcune strutture, come i cristalli, possono avere diversi coefficienti di espansione termica a seconda della forma.
Analogamente al concetto di espansione termica negativa, condizioni come il freddo estremo fanno contrarre i materiali per le ragioni esattamente opposte della normale espansione termica. Spesso sono necessari altri materiali con coefficienti diversi in combinazione con questi solidi. Un esempio potrebbe essere una finestra, che necessita di raccordi in gomma per impedire l'espansione e la contrazione del telaio metallico.
Più duro è il materiale, minore è l'espansione termica. I liquidi si espanderanno più rapidamente dei solidi. Ciò è causato dal fatto che all'aumentare del legame energetico tra le particelle, l'espansione termica diminuisce in queste sostanze. Inoltre, alcuni materiali cambiano dimensioni a causa dell'assorbimento o del desorbimento di acqua o solventi.
Un tipo di espansione noto come espansione anisotropica può verificarsi all'interno di determinati tipi di materiali. Ciò significa che il solido non si espanderà esattamente allo stesso modo in ciascuna direzione. Qualsiasi materiale con un numero di strati, come la grafite, di solito si espande più facilmente in modo perpendicolare con gli strati piuttosto che verticalmente contro gli strati. Questo può essere utile per i progettisti quando tentano di realizzare un raccordo che dovrebbe espandersi in una sola direzione se esposto alle variazioni di temperatura.