Dilatarea termică

Capacul metalic al unui borcan se desface mai ușor dacă îl ții câteva clipe sub apă caldă: metalul s-a dilatat. Dilatarea termică este creșterea dimensiunilor unui corp când temperatura lui crește. Când temperatura scade, dimensiunile scad: corpul se contractă. Efectul este mic, dar real: o bară de oțel lungă de $10\mathrm{m}$ se lungește cu $1,2\mathrm{mm}$ când se încălzește cu $10{}^{\circ }\mathrm{C}$, iar una de aluminiu, tot de $10\mathrm{m}$, se lungește în aceleași condiții cu $2,4\mathrm{mm}$.

Explicația ține de particulele din care e făcut corpul. Când temperatura crește, particulele vibrează sau se mișcă mai energic și se îndepărtează în medie unele de altele. Fiecare particulă rămâne la fel de mare; se măresc distanțele dintre ele. De aceea nu apare material nou: masa corpului rămâne aceeași, volumul crește, iar densitatea $\rho =m/V$ scade.

Toate stările de agregare se dilată, dar nu la fel. Solidele se dilată puțin, lichidele mai mult, gazele cel mai mult. Mercurul sau alcoolul colorat dintr-un termometru urcă în tub pentru că lichidul se dilată mai mult decât tubul de sticlă. O minge de tenis de masă ușor strivită se îndreaptă dacă o ții în apă caldă, pentru că aerul dinăuntru se dilată.

Dilatarea solidelor trebuie luată în calcul de constructori. O gaură făcută într-o placă metalică se mărește la încălzire, la fel ca un disc din același metal, nu se strânge. Podurile și șinele de cale ferată au rosturi, adică mici spații libere, ca să aibă loc să se lungească vara. Cablurile electrice se montează puțin lăsate, fiindcă iarna se contractă și s-ar putea rupe dacă ar fi întinse. O lamă bimetalică este formată din două metale diferite lipite între ele. Când se încălzește, metalul care se dilată mai mult se lungește mai mult, iar lama se curbează. Termostatul unui fier de călcat folosește o astfel de lamă pentru a opri curentul.

Apa se poartă altfel decât majoritatea lichidelor. Între $0{}^{\circ }\mathrm{C}$ și $4{}^{\circ }\mathrm{C}$ ea se contractă când se încălzește, iar la $4{}^{\circ }\mathrm{C}$ are densitatea maximă, circa $1000kg/{\mathrm{m}}^3$. La îngheț, apa se dilată: gheața are densitatea de circa $917kg/{\mathrm{m}}^3$, mai mică decât a apei, deci plutește. Din acest motiv, în lacurile care îngheață, gheața se formează la suprafață, iar sub ea rămâne apă lichidă la aproximativ $4{}^{\circ }\mathrm{C}$, în care trăiesc peștii. Tot din acest motiv o sticlă plină cu apă și închisă bine poate crăpa în congelator. Nu face acest experiment.

Exemplu rezolvat. O bară de oțel de $10\mathrm{m}$ se lungește cu $1,2\mathrm{mm}$ la o încălzire de $10{}^{\circ }\mathrm{C}$. Cu cât se lungește o bară de oțel de $25\mathrm{m}$ când se încălzește cu $40{}^{\circ }\mathrm{C}$? Lungirea este proporțională cu lungimea inițială și cu creșterea de temperatură. Bara este de $25:10=2,5$ ori mai lungă, deci la $10{}^{\circ }\mathrm{C}$ s-ar lungi cu $1,2\cdot 2,5=3\mathrm{mm}$. Încălzirea este de $40:10=4$ ori mai mare, deci lungirea este $3\cdot 4=12\mathrm{mm}$. Bara se lungește cu $12\mathrm{mm}$, adică $1,2\mathrm{cm}$; tocmai de aceea rosturile unui pod nu pot lipsi.

Greșeli frecvente

• Greșit: toate substanțele se dilată la fel pentru aceeași încălzire.
  Corect: dilatarea depinde de material; o bară de aluminiu se lungește de circa două ori mai mult decât una de oțel la aceeași încălzire ($2,4\mathrm{mm}$ față de $1,2\mathrm{mm}$ la $10\mathrm{m}$ și $10{}^{\circ }\mathrm{C}$).
• Greșit: un corp dilatat are mai multă masă.
  Corect: masa rămâne aceeași; crește volumul, deci densitatea scade.
• Greșit: apa se dilată la încălzire în orice interval de temperatură.
  Corect: între $0{}^{\circ }\mathrm{C}$ și $4{}^{\circ }\mathrm{C}$ apa se contractă la încălzire; densitatea ei este maximă la $4{}^{\circ }\mathrm{C}$.
• Greșit: la încălzirea unei plăci cu o gaură, gaura se micșorează pentru că materialul se dilată spre ea.
  Corect: gaura se mărește, ca un disc din același material.

Înainte și după