Proprietà fisiche: densità, peso specifico, conducibilità termica

Le proprietà fisiche sono quelle osservabili senza cambiare l’identità della sostanza esempi di proprietà fisiche sono colore densità e durezza. Alcune delle proprietà fisiche sono: temperatura di transizione di fase, densità, peso specifico, conducibilità termica, coefficiente lineare di dilatazione termica

Esempi di proprietà fisiche

Temperatura di transizione di fase

Quando la temperatura aumenta mantenendo costante la pressione una sostanza passa prima dallo stato solido a quello liquido e poi dallo stato liquido a quello di vapore. Le transizioni solido-liquido, liquido-vapore, vapore-liquido, liquido-solido sono dette  trasformazioni di fase o transizioni di fase. Inoltre poiché talune specie hanno più di una forma cristallina una transizione può riguardare anche un passaggio di stato solido-solido.

La temperatura alla quale avviene il passaggio di stato solido-liquido viene chiamata temperatura di fusione. La temperatura alla quale la pressione di vapore di un liquido è pari a 1 atm è detta temperatura di ebollizione. Alcune sostanze, quali i polimeri, non passano semplicemente da solido a liquido a seguito di un aumento di temperatura ma, a una certa temperatura al di sotto del punto di fusione, iniziano a perdere la loro struttura cristallina e la specie appare molle e flessibile. La temperatura alla quale un materiale solido e vetroso inizia a rammollire e a scorrere è detta temperatura di transizione vetrosa.

Densità

La densità è data dal rapporto tra la massa di una sostanza e il volume occupato dalla stessa. La densità di una sostanza dipende dalla fase in cui si trova e dalla temperatura. L’acqua allo stato liquido ha una densità di 1.00 g/cm³ a 4°C mentre il ghiaccio ha una densità di 0.917 g/cm³ a 0°C. In genere la densità delle altre sostanze nella fase solida è maggiore rispetto a quella della fase liquida. Le unità di misura della densità più comunemente usate sono g/cm³ , g/mL, g/L.

Peso specifico

Il peso specifico assoluto è dato dal rapporto tra il peso di una sostanza e il volume da essa occupato ad una certa temperatura. Essendo il peso di un corpo dato dal prodotto della sua massa per l’accelerazione di gravità l’unità di misura del peso specifico nel sistema internazionale è Newton/m³

Il peso specifico relativo è dato dal rapporto tra la densità della sostanza e della densità dell’acqua a 4°C ed è pertanto un numero puro. Un oggetto galleggia nell’acqua se la sa densità è minore rispetto a quella dell’acqua mentre affonda se la sua densità è maggiore. Analogamente un oggetto con un peso specifico relativo minore di 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 è funzione della sua capacità di trasmettere calore. Il trasferimento di calore tramite conduzione comprende il trasferimento di energia all’interno del materiale. La conduzione si verifica quando è presente un gradiente di temperatura in un solido o in un fluido stazionario. Il flusso di calore avviene in direzione della temperatura minore: l’energia è trasferita dalle molecole aventi energia maggiore a quelle aventi energia minore. La conducibilità termica è definita come il rapporto tra  il flusso di calore Q osservato e il gradiente di temperatura che lo provoca. Supponendo che una barra lunga d di sezione A abbia i suoi due estremi a contatto con due fonti di calore a temperature diverse si ha:

 λ = Q ∙d / A ( T₂ – T₁)

dove Q è la velocità di trasferimento del calore, ovvero la quantità di energia termica che passa attraverso la sezione A della barra nell’unità di tempo, d è la lunghezza in metri della barra, A è l’area della sezione trasversale della barra ortogonale rispetto alla direzione di propagazione del calore e T₁ e T₂ le due temperature agli estremi della barra.

Coefficiente lineare di dilatazione termica

Quando un corpo è riscaldato l’ampiezza media delle vibrazioni degli atomi aumenta e quindi aumenta la distanza tra gli atomi provocando una dilatazione. Se il materiale non subisce un passaggio di stato la dilatazione può essere correlata alla variazione di temperatura. Il coefficiente lineare di espansione termica α è relazionato alla variazione di lunghezza del materiale per la variazione di 1°C di temperatura tramite l’equazione:

α = Δl / l_i (T₂ – T₁)

dove Δl è la variazione di lunghezza, l_i la lunghezza iniziale e T₂ – T₁ la variazione di temperatura.

La dilatazione termica deve essere considerata nelle applicazioni tecnologiche: ad esempio, l’uso di taluni metalli in dispositivi a contatto con fonti di calore quali termostati e sensori è controindicato. Si preferisce usare metalli con scarso coefficiente di dilatazione termica o leghe metalliche appropriate.