Dilatarea termică: definiție, coeficient și aplicații practice

În fizică, dilatarea termică este proprietatea materiei de a-și schimba volumul ca răspuns la o schimbare de temperatură. La nivel microscopic, când o substanță este încălzită, particulele sale (atomi sau molecule) se mișcă mai rapid și, în general, păstrează o separare medie mai mare, ceea ce duce la creșterea dimensiunilor materiale. Materialele care se contractă odată cu creșterea temperaturii sunt foarte rare; acest fenomen apare doar în intervale limitate de temperatură pentru anumite substanțe (de exemplu, unele materiale cu *coeficient de dilatare termică* negativ). Gradul de dilatare împărțit la variația de temperatură se numește coeficientul de dilatare termică al materialului și, în general, variază în funcție de temperatură și de direcția cristalografică (pentru materiale anizotrope).

Coeficienți și formule de calcul

Există mai multe tipuri de coeficienți de dilatare:

• Coeficientul liniar α (unitate: K⁻¹) — descrie schimbarea lungimii: ΔL = α · L0 · ΔT.
• Coeficientul volumetric β (unitate: K⁻¹) — descrie schimbarea volumului: ΔV = β · V0 · ΔT. Pentru materiale izotrope și pentru variații mici de temperatură, β ≈ 3α.
• Coeficientul de dilatare areală pentru suprafețe (≈ 2α pentru materiale izotrope).

Valorile tipice ale coeficientului liniar pentru câteva materiale: metale comune ~10⁻⁵ K⁻¹ (ex.: oțel ≈ 1,1–1,3·10⁻⁵ K⁻¹), sticlă ≈ 0,5–9·10⁻⁶ K⁻¹ (în funcție de compoziție), și polimeri pot avea valori mult mai mari. Unitățile se exprimă de obicei în K⁻¹ (sau °C⁻¹, având în vedere că scăderea de temperatură în K este egală cu cea în °C pentru diferențe).

Exemple practice și aplicații

Termometrele sunt un exemplu clasic de utilizare a dilatării termice: ele conțin un lichid (de exemplu mercur sau alcool colorat) într-un rezervor și un tub capilar; când volumul lichidului crește din cauza încălzirii, acesta urcă de-a lungul tubului, indicând temperatura. În termostate mecanice se folosesc frecvent benzi bimetalice — două metale cu coeficienți de dilatare diferiți lipite între ele; la încălzire banda se curbează și acționează un contact electric sau un întrerupător.

Dilatarea termică poate deveni o problemă pentru trenuri, deoarece poate cauza îndoirea șinelor (fenomen numit „buckling”). Pe șine vor fi montate monitoare și sisteme de detecție, astfel încât, în cazul în care temperatura devine anormal de ridicată, trenurile să fie avertizate și li se poată cere să încetinească pentru a reduce căldura de frecare. Alte măsuri de prevenire includ prevederea de îmbinări de dilatare (gaps), folosirea unor șine sudate cu tratamente termice specifice, ancore și plăci de presiune. Uneori, părțile superioare ale șinelor sunt vopsite în alb pentru a reflecta radiația solară și a reduce încălzirea; astfel se minimizează riscul de deformare.

Alte aplicații și protecții

• Poduri și clădiri: se prevăd îmbinări de dilatare pentru a permite mișcările termice fără acumulare de tensiuni.
• Componente ale motoarelor: jocurile pistonelor, arborilor și axelor iau în calcul dilatarea termică pentru a evita frecarea excesivă sau blocarea.
• Instrumente de precizie: în metrologie și echipamente optice se folosesc materiale cu coeficient foarte mic (ex.: Invar, zerodur) pentru stabilitate dimensională la variații de temperatură.
• Electronică: proiectarea plăcilor și a carcaselor ține cont de dilatare pentru a preveni delaminarea sau ruperea lipiturilor.
• Crio- și criogenie: la temperaturi foarte scăzute se ia în calcul contracția materialelor; conectările și etanșările trebuie dimensionate corespunzător.

Comportamente speciale

Unele materiale prezintă comportamente neobişnuite: apa are o dilatare anormală în intervalul 0–4 °C (ea se contractă la încălzirea de la 0 până la 4 °C și apoi se dilată la temperaturi mai mari), ceea ce explică de ce gheaţa pluteşte. Există şi materiale cu coeficient de dilatare negativ în anumite intervale de temperatură — acestea sunt folosite în compozite pentru a controla dilatarea efectivă totală.

Măsurare și variație cu temperatura

Coeficientul de dilatare se măsoară experimental prin încălzirea sau răcirea unei probe și măsurarea variațiilor dimensionale cu instrumente de precizie (dilatometre). De obicei coeficientul nu este constant pe un interval larg de temperatură; pentru calcule precise se utilizează valori dependente de T sau tabele furnizate de producători.

În proiectare, pentru a evita probleme cauzate de dilatarea termică, inginerii folosesc:

• toleranțe și jocuri adecvate între piese;
• îmbinări de dilatare și compensatoare;
• materiale cu proprietăți termice potrivite sau compozite care contrabalansează mișcările;
• control al temperaturii operative sau protecție la radiație (ex.: vopsire albă a suprafețelor expuse la soare).

În concluzie, dilatarea termică este un fenomen esențial atât pentru explicarea unor efecte simple de zi cu zi (termometre, bimetale), cât și pentru proiectarea sigură și funcțională a infrastructurilor și echipamentelor tehnice. Cunoașterea coeficienților de dilatare și a comportamentului materialelor la temperaturi diferite este vitală pentru prevenirea defecțiunilor și pentru optimizarea performanței.

Întrebări și răspunsuri

Î: Ce este expansiunea termică în fizică?

Î: Ce se întâmplă cu particulele de bază ale unei substanțe atunci când aceasta este încălzită?

Î: Materialele care se contractă la creșterea temperaturii sunt comune sau mai puțin frecvente?

Î: Ce este coeficientul de dilatare termică?

Î: Poate deveni dilatarea termică o problemă pentru trenuri?

Î: Cum utilizează termometrele dilatarea termică?

Î: Ce fac monitoarele de pe șinele de tren dacă temperatura devine anormal de ridicată?

Căutare după litera