Proprietà fisiche: densità, peso specifico e conducibilità termica
Le proprietà fisiche definiscono le caratteristiche osservabili di una sostanza senza modificarne l’identità. Alcuni esempi di queste proprietà includono la temperatura di transizione di fase, densità, peso specifico, conducibilità termica e coefficiente lineare di dilatazione termica.
Temperatura di transizione di fase
Ad un aumento di temperatura mantenendo costante la pressione, le sostanze possono passare dallo stato solido a quello liquido e successivamente dallo stato liquido a quello di vapore. Questi passaggi, chiamati trasformazioni di fase o transizioni, possono riguardare anche cambiamenti all’interno dello stato solido. La temperatura alla quale avviene il passaggio di stato solido-liquido è nota come temperatura di fusione, mentre la temperatura alla quale la pressione di vapore di un liquido è uguale ad 1 atm è definita come temperatura di ebollizione. Alcune sostanze, come i polimeri, possono perdere la loro struttura cristallina a una certa temperatura prima del punto di fusione, diventando molli e flessibili. Questa temperatura è detta temperatura di transizione vetrosa.
Densità
La densità è il rapporto tra la massa di una sostanza e il volume occupato da essa. È importante notare che la densità dipende dalla fase e dalla temperatura del materiale. Ad esempio, l’acqua liquida ha una densità di 1.00 g/cm^3 a 4°C, mentre la densità del ghiaccio è di 0.917 g/cm^3 a 0°C. In genere, la densità dei solidi è superiore a quella dei liquidi. Le unità comuni di misura della densità sono g/cm^3, g/mL e g/L.
Peso specifico
Il peso specifico assoluto è il rapporto tra il peso di una sostanza e il volume che occupa a una determinata temperatura. Considerando il peso come il prodotto tra la massa e l’accelerazione di gravità, nell’SI il peso specifico è misurato in Newton/m^3. Il peso specifico relativo è invece il rapporto tra la densità della sostanza e quella dell’acqua a 4°C ed è un valore puro. Un oggetto galleggia nell’acqua se la sua densità è inferiore a quella dell’acqua, mentre affonda se la sua densità è maggiore. Analogamente, un oggetto con peso specifico relativo inferiore a uno galleggia, mentre affonda se il suo peso specifico relativo è maggiore di uno.
Conducibilità termica
La conducibilità termica (λ) è una proprietà intrinseca di un materiale che indica la sua capacità di trasmettere calore. Il trasferimento di calore per conduzione comporta il movimento dell’energia all’interno del materiale. Questo fenomeno avviene quando c’è un gradiente di temperatura in un materiale stazionario. La conducibilità termica è definita come il rapporto tra il flusso di calore (Q) e il gradiente di temperatura (T2– T1). Ad esempio, per una barra con lunghezza (d) e sezione (A) in contatto con due fonti di calore a diverse temperature si ha: λ = Q ∙ d / A ( T2– T1), dove λ indica la conducibilità termica, Q il flusso di calore, d la lunghezza, A l’area della sezione e T1 e T2 le temperature ai due estremi della barra.
Coefficiente lineare di dilatazione termica
Quando un materiale viene riscaldato, la distanza tra gli atomi aumenta a causa dell’incremento dell’ampiezza delle loro vibrazioni, provocando così una dilatazione. Il coefficiente lineare di espansione termica α è correlato alla variazione di lunghezza per la variazione di temperatura tramite l’equazione: α = Δl / l_i (T2 – T1), dove Δl è la variazione della lunghezza, l_i è la lunghezza iniziale e T2 – T1 rappresenta la variazione di temperatura. La dilatazione termica è un fattore importante da considerare in molte applicazioni tecnologiche, ad esempio nella scelta dei materiali per dispositivi sensibili al calore, come termostati e sensori, dove si preferiscono materiali con basso coefficiente di dilatazione termica o leghe metalliche appropriate.