Indice. M odulo 1 VII. in auladigitale

Transcript

1 VII Indice M odulo 1 in auladigitale I materiali 1 U1 Proprietà dei materiali Evoluzione dei materiali Caratteristiche dei materiali Proprietà strutturali dei materiali Proprietà chimiche dei materiali Proprietà fisiche dei materiali Proprietà meccaniche 19 Ripassa e riassumi 21 ESERCIZI 22 Unità 1 Approfondimenti Reticoli cristallini Dilatazione dei solidi Test U2 Metalli e leghe Caratteristiche generali degli elementi Il ferro Le ghise Gli acciai Il rame e le sue leghe 29 Il bronzo e l industria campanaria Altri metalli e leghe La corrosione Fondamenti di elettrochimica Corrosione chimica e corrosione elettrochimica Metodi di protezione dalla corrosione 41 Ripassa e riassumi 43 ESERCIZI 44 Unità 2 Approfondimenti Misura della temperatura Test U3 Materiali ceramici, vetri e polimeri Un po di storia I materiali ceramici Il vetro Polimeri sintetici Proprietà e struttura dei polimeri Caratteristiche tecnologiche e fisiche dei polimeri sintetici 56 Ripassa e riassumi 59 ESERCIZI 60 Unità 3 Approfondimenti Misuratori ceramici Processi di lavorazione del vetro Centrali ADSL in fi bra ottica Test

2 VIII Indice U4 Nuovi materiali e nuove tecnologie Materiali compositi Elementi di rinforzo Le matrici dei compositi I compositi in legno Leghe a memoria di forma I semiconduttori I superconduttori I cristalli liquidi 68 Ripassa e riassumi 70 ESERCIZI 71 Unità 4 Approfondimenti Materiali compositi Lo stato solido e gli stati non convenzionali della materia Test U5 I leganti Evoluzione storica dei leganti 72 La città più antica del mondo Caratteristiche chimiche e fisiche dei leganti Il gesso La calce aerea La calce idraulica 81 Il meccanismo di presa e indurimento della calce idraulica e dei cementi 83 Normativa storica delle calci Il cemento 88 Ripassa e riassumi 93 ESERCIZI 94 Unità 5 Approfondimenti Le malte Il cemento Portland Test U6 I materiali da costruzione Le rocce I minerali Le rocce ignee Le rocce sedimentarie Le rocce metamorfiche L estrazione delle rocce La lavorazione della pietra Il recupero e il restauro delle pietre 115 Ripassa e riassumi 116 ESERCIZI 117 Unità 6 Approfondimenti Strutture cristalline Rifrazione dei cristalli Classifi cazione delle rocce intrusive Classifi cazione delle rocce metamorfi che Test M odulo 2 in auladigitale Strumentazioni e attività sperimentali 119 U1 Strumentazioni di laboratorio e metodologie di misura Strumenti di misura Rappresentazione grafica dei dati Le protezioni personali e il quaderno di laboratorio 138 Unità 1 Approfondimenti Simboli di rischio Test

3 Indice IX 1.4 Come prevenire gli incidenti Il banco di lavoro e la vetreria Oggetti e soluzioni calde Microscopio Strumentazione per la preparazione di vetrini Centrifuga Apparecchiature per riscaldare Altre apparecchiature Riepilogo delle norme di comportamento 147 Ripassa e riassumi 149 ESERCIZI 150 U2 Attività di laboratorio 155 Scheda 1 Preparazione delle soluzioni 156 Scheda 2 Osservando le foglie 158 Scheda 3 Preparazione di un campione di terreno e determinazione della sua struttura 160 Scheda 4 Determinazione dello scheletro e della tessitura di un terreno 162 Scheda 5 La polarità dei liquidi 164 Scheda 6 Miscibilità dei liquidi 166 Scheda 7 Cromatografia su carta 168 Scheda 8 Preparazione di terreni di coltura e piastratura-semina 170 Scheda 9 Colorazione di Gram 172 Scheda 10 Reazioni chimiche 174 Scheda 11 Misurazione del ph con indicatori vegetali 176 Scheda 12 Taratura del ph metro 178 Scheda 13 Titolazione del succo di ananas 180 Scheda 14 Preparazione di vetrini per osservazioni a fresco 182 Scheda 15 Osservazione delle radici e determinazione della parte minerale 184 Scheda 16 Osservare l acqua di un fosso o di un fiume 186 Scheda 17 Osservazione e misurazione di alcuni parametri in un ambiente artificiale: l acquario 188 Scheda 18 Osservazione e misurazione di alcuni parametri in ambiente naturale: un bosco 190 Scheda 19 Fusione della vanillina 192 Unità 2 Filmati Preparazione delle soluzioni Osservando le foglie Preparazione di un campione di terreno e determinazione della sua struttura Determinazione dello scheletro e della tessitura di un terreno La polarità dei liquidi Miscibilità dei liquidi Cromatografi a su carta Preparazione di terreni di coltura e piastratura-semina Colorazione di Gram Reazioni chimiche Misurazione del ph con indicatori vegetali Taratura del ph metro Titolazione del succo di ananas Preparazione di vetrini per osservazioni a fresco Osservazione delle radici e determinazione della parte minerale Osservare l acqua di un fosso o di un fi ume Osservazione e misurazione di alcuni parametri in un ambiente artifi ciale: l acquario Osservazione e misurazione di alcuni parametri in ambiente naturale: un bosco Fusione della vanillina Distillazione dell alcool Estrazione del DNA dalla frutta Analisi degli zuccheri Simulazione della digestione delle proteine Estrazione dell olio di semi Studio della lievitazione di un impasto La fermentazione: preparazione della pasta madre Ricerca degli antisettici nel latte RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano

4 X Indice Scheda 20 Distillazione dell alcool 194 Scheda 21 Estrazione del DNA dalla frutta 196 Scheda 22 Analisi degli zuccheri 198 Scheda 23 Simulazione della digestione delle proteine 200 Scheda 24 Estrazione dell olio di semi 202 Scheda 25 Studio della lievitazione di un impasto 204 Scheda 26 La fermentazione: preparazione della pasta madre 206 Scheda 27 Ricerca degli antisettici nel latte 208 M odulo 3 in auladigitale Filiera dei processi e normativa della sicurezza 210 U1 Impresa e funzioni aziendali Impresa Organizzazione aziendale Organigrammi Fattori di produzione Gestione dell azienda Contabilità analitica 215 Ripassa e riassumi 219 ESERCIZI 220 U2 Normativa sulla sicurezza Comportamento nell ambiente di lavoro Il soccorso in azienda Prevenzione e sicurezza Direttiva Macchine Sicurezza degli impianti elettrici Effetti della corrente sul corpo umano Sistemi di protezione Segnaletica antinfortunistica 230 Ripassa e riassumi 231 ESERCIZI 232 Unità 1 Tabelle e grafici Le imprese Saldo commerciale Italia-estero Organigramma tipo Approfondimenti Strumenti di controllo aziendale Struttura del budget aziendale Analisi dei costi Test Unità 2 Tabelle e grafici Analisi dei rischi Sicurezza incendi Segnaletica di sicurezza Approfondimenti Informazione sull evacuazione Piano di evacuazione della scuola Struttura della sedia per videoterminale I problemi dell elettricità statica Test

5 Unità 1 Proprietà dei materiali Unità 2 Metalli e leghe Modulo 1 I materiali Unità 3 Materiali ceramici, vetri e polimeri Unità 4 Nuovi materiali e nuove tecnologie Unità 5 I leganti Unità 6 I materiali da costruzione Conoscenze I fondamenti della struttura della materia Le proprietà fi siche, chimiche e tecnologiche dei materiali Abilità Descrivere i principali materiali e verifi carne in laboratorio le più signifi cative caratteristiche fi siche, chimiche e tecnologiche in relazione alle tipologie d impiego Saper scegliere materiali e procedimenti adeguati a un problema pratico Conoscere le sollecitazioni cui possono essere sottoposti i dispositivi nell ambito del loro utilizzo Diego Rivera, L uomo e la macchina del tempo, (1934), Palacio de Bellas Artes, Città del Messico I materiali hanno avuto un ruolo molto importante nella storia dell umanità; non è un caso che la storia antica venga suddivisa in base ai materiali maggiormente utilizzati dall uomo in determinati periodi: età della pietra, del rame, del bronzo ecc. Occorre anche osservare che la scoperta e lo sviluppo di nuovi materiali hanno accelerato l evoluzione stessa dell umanità. Attualmente viviamo nell era dei materiali sintetici, studiati e realizzati in base al compito che devono svolgere; in passato, invece, venivano impiegati i materiali reperibili in natura o che si ottenevano con combinazioni abbastanza semplici di sostanze naturali; per esempio, nell età del bronzo, quest ultimo veniva ottenuto come lega del rame con lo stagno (8-9%).

6 Unità 1 Proprietà dei materiali 1.1 Evoluzione dei materiali Sin dall antichità l uomo ha compreso i vantaggi di adattare opportunamente i materiali per ricavarne strumenti utili alla propria sopravvivenza. Gli oggetti così ottenuti potevano essere utilizzati per l alimentazione (caccia, pesca), la difesa dagli animali, la protezione del corpo dal freddo o più in generale per soddisfare le più comuni esigenze come costruire capanne, case ecc. L uomo, all inizio del suo percorso evolutivo, ha utilizzato i materiali che aveva a disposizione e le lavorazioni effettuate risultavano assai grossolane. Il limite più grande era dovuto alla incapacità di fruire delle fonti di energia disponibili. In questa fase (età della pietra) gli strumenti di cui disponeva derivavano dalla lavorazione della pietra, del legno e da ossa e pelli di animali. Con la scoperta del fuoco, la situazione migliorò notevolmente, poiché fu possibile fondere i metalli e lavorarli in forme opportune (Fig. 1.1). La capacità di sfruttamento delle risorse energetiche e dei materiali disponibili si è autoalimentata nel corso del tempo; nuovi materiali e nuove tecnologie hanno posto le basi per la produzione di materiali a loro volta più elaborati e rifiniti. In tabella 1.1 è riportato lo sviluppo storico delle tecnologie e dei materiali dall 8000 a.c. ai giorni nostri, articolato in base alla disponibilità di quattro tipologie di materiali: metalli, legno, ceramiche-vetro, materie plastiche. Nel periodo compreso tra l anno 1700 e il 2000, si ha un accelerazione dell evoluzione dei materiali stessi e delle loro lavorazioni, come viene riportato nelle tabelle 1.2, 1.3, 1.4, 1.5. Fig. 1.1 Fusione del rame. La possibilità di ottenere metalli allo stato liquido permise, circa 3000 anni fa, di ottenere oggetti più rifi niti e funzionali rispetto a quelli in selce e osso.

7 Unità 1 Proprietà dei materiali 3 Epoca Periodo Metalli Legno e suoi lavorati Ceramiche, vetri, fibre Polimeri 8000 a.c a.c a.c. Età della pietra: pietra, avorio, corno, selce prodotti di canna (fl auti, penne) sarcofaghi in legno (in Egitto) 5000 a.c a.c. Nuova età della pietra: case di malta, argilla oro, argento e rame usati per i gioielli barche di canne (in Egitto) 3000 a.c a.c a.c. Età del rame Età del bronzo oggetti in rame smaltato barche in legno forni per la cottura dell argilla prime ceramiche bitume utilizzato come isolante d.c. Età del ferro ferro ottenuto dall ematite legni lavorati e decorati vetri, vetri lavorati resine utilizzate come coloranti 2000 d.c. Età dei materiali sintetici primi acciai alluminio ruote in legno per mulini legno lavorato per mobili e case prime materie plastiche Tab. 1.1 Sviluppo storico dell utilizzo dei diversi materiali. Metalli 1709 Produzione su larga scala del ferro. Primi altiforni a carbone 1740 Commercializzazione delle fusioni in zinco 1750 Scoperta e purifi cazione del nichel 1777 Utilizzo della ghisa per la realizzazione di ponti 1784 Brevetto per la produzione di acciaio dalla ghisa mediante il processo di puddling, che estrae il carbone attraverso la combustione in eccesso di ossigeno Prima rivoluzione industriale: introduzione di macchine per la lavorazione di legno e metalli 1828 Primi altiforni a insuffl azione di ossigeno per acciai 1845 Estrazione dell alluminio dalla bauxite 1856 Invenzione del processo Bessemer per la produzione dell acciaio 1886 Produzione commerciale dell alluminio 1904 Prime leghe metalliche a bassa sensibilità termica 1909 Leghe di alluminio di elevata durezza (duralluminio) 1913 Perfezionamento dell acciaio inossidabile per la produzione di lame 1915 Leghe di cromo-cobalto (stellite) utilizzate per strumenti da taglio Acciaio inossidabile 18/8 (staybrite); leghe nichel-cromo resistenti alle alte temperature e a particolari situazioni di stress 1946 Introduzione sul mercato del Lurex : fi lato metallico a base di alluminio 1948 Produzione commerciale di titanio puro 1954 Saldatura di metalli diversi tramite riscaldamento prodotto per attrito 1961 Acciai al nichel con elevate prestazioni, ma con buona malleabilità 1968 Utilizzo del berillio nella realizzazione di particolari aeronautici ultraleggeri 1976 Fogli in plastica e alluminio per contenitori 1980 Leghe metalliche al titanio a elevata leggerezza e malleabilità Epoca Materiali superconduttori attuale Tab. 1.2 Metalli e sviluppo delle relative tecniche di lavorazione. Alcuni metalli di attuale largo impiego sono di recente commercializzazione; per esempio, l alluminio non esiste in natura come metallo nativo, ma viene ricavato per elettrolisi della bauxite, un minerale che lo contiene in elevata quantità. Tale processo è stato messo a punto solo nel RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano

8 4 Modulo 1 I materiali Tab. 1.3 Il legno è un materiale usato da sempre nella storia dell umanità per la produzione di utensili, barche, mobili, tetti ecc. Legno 1750 Largo uso del legno nei manufatti con sviluppo della lavorazione, specie in Europa. Grande successo dello stile rococò nella realizzazione dei mobili 1837 Impiego del legno laminato per la costruzione di ponti e viadotti 1900 Costruzione dei primi aerei in legno (fratelli Wright). Prime auto di lusso con carrozzeria in legno 1909 Sviluppo dei legni laminati e compensati 1922 Realizzazione della carta in fi bre di legno duro (querce, faggi, frassini, aceri ecc.) 1925 Ideazione dei pannelli in fi bra truciolare 1942 Messa a punto di colle per legno ottenute da urea e formaldeide (Aerolite 306); produzione di manufatti in truciolare, sviluppo dei composti di legno in laminati e blocchi (blockboard ) 1955 Utilizzo della melammina per le superfi ci di pannelli in truciolare 1979 Ideazione di pannelli in fi bra di legno a media e alta densità 1987 Produzione di pannelli in composto di fi bre e resine con superfi ci lisce (caberwood) Epoca Utilizzo di pannelli in fi bre a media e alta densità e di laminati attuale Ceramiche, vetri e fibre 1894 Produzione delle prime lenti a strati per obiettivi 1905 Messa a punto di vetri rinforzati con stratifi cazioni 1915 Ideazione del vetro Pyrex, resistente agli sbalzi di temperatura 1938 Realizzazione delle prime fusioni del quarzo cristallino; messa a punto delle prime fi bre di vetro 1939 Produzione di lastre di vetro laminato con interposizione di fogli di polivinile (safety glass) 1940 Sviluppo dei primi componenti elettronici al silicio 1946 Ideazione dei magneti ceramici 1954 Invenzione dei transistor e delle celle solari al silicio 1955 Impiego del vetrocamera nella costruzione di fi nestre; invenzione delle fi bre ottiche 1963 Applicazione delle fi bre di carbonio per tessuti e materiali compositi 1970 Sviluppo del sialon (silicon aluminum oxynitride), un tipo di ceramica policristallina con elevatissime caratteristiche meccaniche 1971 Invenzione del vetrocemento 1977 Messa a punto di celle solari all arseniuro di gallio Tab. 1.4 Ceramiche e vetri hanno trovato largo impiego in oggetti artistici o di uso quotidiano come bicchieri e vasi. In tempi più recenti questi materiali sono stati utilizzati nei più svariati campi. Anche l ideazione di nuove fi bre ha permesso una loro più vasta fruibilità. Attualmente viviamo nell epoca dei materiali di sintesi, realizzati in modo che si adattino a esigenze specifiche mediante componenti e dosaggi opportuni. È possibile infatti ottenere materiali che presentano particolari caratteristiche di elasticità, durezza, durata nel tempo e memoria di forma, cioè in grado di ritornare alla forma che avevano prima di aver subìto determinate sollecitazioni (Tab. 1.5). Un campo di ricerca che si sta sviluppando notevolmente, è la nanoscienza, ovvero lo studio della manipolazione di materiali a livello atomico e molecolare, volto a ottenere proprietà che differiscono notevolmente da quelle tipiche dei materiali di origine.

9 Unità 1 Proprietà dei materiali 5 Polimeri ed elastomeri 1839 Sintesi del polistirene (polistirolo), polimero termoplastico rigido a temperatura ambiente e fi no ai 70 C 1862 Sintesi della celluloide (nitrato di cellulosa), materiale fl essibile e resistente all umidità, ma molto infi ammabile 1868 Produzione del nitrato di cellulosa (fulmicotone), polimero sintetico ottenuto dalla reazione della cellulosa (cotone) con acido nitrico; è un esplosivo e un materiale termoplastico utilizzato per i vetri stratifi cati 1895 Sintesi della galalite, materiale plastico duro ed elastico ottenuto dalla reazione della caseina del latte con formaldeide 1907 Sintesi della bakelite, una resina termoindurente ottenuta da formaldeide e fenolo; produzione dei primi adesivi plastici 1924 Messa a punto delle prime resine fenoliche e amminoplastiche utilizzate come impregnanti per la realizzazione di laminati 1927 Sintesi del PVC e dei primi polimeri acrilici Sintesi di polietilene, nylon, poliuretano e altre fi bre sintetiche 1939 Produzione dei primi utensili domestici realizzati con melammina e formaldeide 1942 Produzione industriale di poliesteri, polietilene e polimeri siliconici 1948 Produzione commerciale del teflon 1949 Utilizzo delle fi bre acriliche negli indumenti 1956 Produzione di adesivi con resine epossidiche 1957 Produzione di resine in policarbonato (polimero ad alta resistenza) 1961 Produzione della lycra, fi bra di poliuretano utilizzata per elasticizzare i tessuti 1965 Sintesi del neoprene (gomma sintetica) 1978 Ideazione di gomme termoplastiche in materiali naturali, come il lattice Tab. 1.5 I polimeri sintetici hanno una storia molto recente, poiché sono stati prodotti nei laboratori solo nel secolo scorso. Tuttavia hanno rapidamente soppiantato materiali di più antico utilizzo grazie alle loro caratteristiche spesso fi nemente calibrabili in relazione al loro impiego. Dalle nanoscienze si originano le nanotecnologie che studiano e progettano le proprietà in grado di conferire ai materiali caratteristiche particolari. Alcune applicazioni delle nanotecnologie sono assolutamente impensabili in altri ambiti: produzione di vernici capaci di trasformare in energia la luce del sole, operando come un vero e proprio pannello solare; produzione di tessuti tecnici per abbigliamento sportivo, in alcuni casi più leggeri, impermeabili e traspiranti dei materiali naturali o ideati per ridurne l attrito; hard disk con superfici realizzate mediante nanostrutture per registrare dati ad altissima densità; circuiti integrati di memoria elettronica con dimensioni inferiori a 100 nm.... dove vengono fusi nei forni per produrre di nuovo Fig. 1.2 Il recupero e il riciclo di diversi materiali metallici o plastici permettono di riutilizzare più volte le stesse materie prime, al fi ne di gestire in modo più oculato le limitate risorse del nostro pianeta.... l acciaieria produce la materia prima l acciaio che viene trasformato in molteplici tipologie di Un altro settore in cui si sta sviluppando la ricerca è quello del riciclaggio: disponendo di grandi quantità di materiale derivante da rifiuti (scarti della produzione alimentare, plastiche e metalli di contenitori e involucri), vengono studiate applicazioni per i prodotti ottenibili dal loro riciclaggio (Fig. 1.2).... gli imballaggi raccolti giungono presso gli operatori del Consorzio dove vengono preparati per essere portati in acciaieria o fonderia dopo che il consumatore ha utilizzato il contenuto, il contenitore viene avviato a raccolta differenziata, che è coordinata dal Consorzio Nazionale Acciaio imballaggi che vengono acquistati dalle aziende e che li riempiono con i prodotti...

10 6 Modulo 1 I materiali 1.2 Caratteristiche dei materiali I materiali solidi oggi disponibili sono moltissimi: oltre 15 milioni. Non è quindi possibile conoscere dettagliatamente tutte le caratteristiche di ciascuno di essi, ma si possono raggruppare secondo alcune loro proprietà; questo permette di scegliere i materiali a seconda delle condizioni di lavoro in cui verranno utilizzati. Per esempio, se si desidera produrre un elastico, si cercherà un materiale adatto tra i polimeri, mentre se si desidera produrre delle tegole, si cercheranno i materiali necessari tra le argille e altre sostanze minerali. Risulta quindi utile, per chi deve progettare il percorso di messa a punto di un oggetto, classificare i materiali in base ad alcune proprietà, ossia: proprietà strutturali (struttura cristallina, metallica, amorfa ); proprietà chimiche (ossidabilità, resistenza alla corrosione); proprietà fisiche (densità, capacità termica, temperatura di fusione ); proprietà meccaniche (resistenza dei materiali alle sollecitazioni prodotte da forze esterne); proprietà tecnologiche (lavorabilità dei materiali rispetto ai mezzi tecnologici che li trasformano dallo stato grezzo a quello di semilavorati o di prodotti finiti). Iniziamo quindi lo studio dei materiali solidi dalle proprietà strutturali. 1.3 Proprietà strutturali dei materiali I materiali utilizzati nei vari campi della tecnologia sono prevalentemente allo stato solido, quindi possono essere costituiti da solidi cristallini o amorfi. Nei solidi cristallini gli atomi sono disposti in modo regolare e occupano posizioni ben determinate. La quasi totalità dei minerali è costituita da solidi cristallini, la cui regolare struttura interna dà origine a capolavori naturali di grande pregio (Fig. 1.3). Fig. 1.4 Calici di vetro di Murano (Venezia). Il vetro è un solido amorfo e quindi non genera cristalli; ciò permette la sua lavorazione e la creazione di oggetti dalle più svariate forme. Fig. 1.3 Eccezionale campione di realgar. È un minerale costituito da solfuro di arsenico; gli atomi di As e di S si trovano regolarmente impaccati a livello microscopico e generano quindi strutture macroscopiche estremamente regolari. Molto diffusi sono anche i solidi amorfi, che differiscono dai precedenti a causa del disordine microscopico con cui sono tra loro legati gli atomi che li costituiscono. Essi non generano cristalli, ma possono solidificare assumendo le più svariate forme imposte dalle condizioni esterne. Un esempio di solido amorfo è il vetro (Fig. 1.4).

11 Unità 1 Proprietà dei materiali 7 esercizio 1.1 Per l interrogazione Obiettivo: verifi care la comprensione del paragrafo Qual è la differenza fondamentale esistente tra solidi cristallini e solidi amorfi? La struttura regolare dei solidi cristallini è dovuta alla ripetizione nelle tre dimensioni dello spazio della cella elementare, cioè della più piccola parte del cristallo che conserva le caratteristiche chimiche e la struttura tridimensionale del solido. Essa è paragonabile a un mattone: accostando più mattoni in modo ordinato e regolare, senza lasciare spazi intermedi, si genera una struttura più grande e ordinata (Fig. 1.5). a) b) c) Fig. 1.5 a) Pila di mattoni disposti in modo regolare; la struttura fi nale è generata dalla ripetizione dell unità di base (il mattone); b) in modo analogo, ogni cristallo si genera dalla ripetizione nello spazio della sua cella elementare (c). I solidi cristallini possono essere classificati in base al tipo di legame esistente tra gli atomi: si hanno così i solidi ionici, molecolari, reticolari e metallici. Per quanto riguarda le applicazioni tecnologiche, si riserva la definizione di materiali a struttura cristallina ai solidi ionici, distinguendoli dai materiali metallici (pure cristallini), poiché questi ultimi presentano caratteristiche particolari, estremamente diverse dai precedenti (Fig. 1.6). solidi cristallini ionici materiali a struttura cristallina molecolari reticolari metallici materiali metallici Fig. 1.6 In azzurro: classifi cazione dei solidi cristallini in base alla tipologia di legame esistente tra le particelle; in giallo: defi nizioni tecnologiche dei materiali. esercizio 1.2 Per l interrogazione Obiettivo: verifi care la comprensione del paragrafo Che cosa si intende per cella elementare?

12 8 Modulo 1 I materiali MARGINE 1 Catione: particella (atomica o molecolare) con carica positiva. Anione: particella con carica negativa. Materiali a struttura cristallina Si definiscono materiali a struttura cristallina i materiali che devono la loro struttura all attrazione elettrostatica tra cationi e anioni presenti nel reticolo. In genere tali ioni sono di dimensioni diverse e si devono impaccare in modo tale che la cella elementare rispetti la formula molecolare del composto. Quando le dimensioni reciproche degli ioni lo permettono, si ottengono solidi con celle cubiche a facce centrate: gli ioni si collocano ai vertici di un cubo e al centro delle sue facce. Gli anioni in genere occupano i vertici, mentre i cationi sono spesso abbastanza piccoli da sistemarsi negli spazi rimasti vuoti tra gli anioni in corrispondenza del centro delle facce del cubo (Fig. 1.7). Fig. 1.7 a) Cella elementare cubica a facce centrate; b) cella elementare del cloruro di sodio: i cationi Na + (più piccoli) sono inseriti negli spazi che restano liberi tra gli anioni Cl. a) b) Quando però cationi e anioni sono di dimensioni molto simili, essi assumono un altro ordine di impaccamento, cioè una struttura cubica a corpo centrato: in tal caso il catione si dispone al centro del cubo, mentre i vertici vengono occupati dagli anioni (Fig. 1.8). Fig. 1.8 Struttura cristallina cubica a corpo centrato. Essa viene utilizzata quando le dimensioni di cationi e anioni sono paragonabili. Il catione si posiziona al centro del cubo, mentre i vertici vengono occupati dagli anioni. Tutte le forme cristalline possono essere determinate in base ai 14 reticoli di Bravais (Fig. 1.10), alcuni dei quali rappresentano forme semplici (cubo, prisma quadrato, esagonale ecc.), da cui derivano i reticoli più complessi, che contengono degli atomi al centro del solido o al centro delle facce.

13 Unità 1 Proprietà dei materiali Fig. 1.9 Un forte colpo può causare lo slittamento di due piani cristallini: ioni di carica uguale vengono allora a contatto, ma si respingono e la roccia si frantuma. Una caratteristica dei materiali a struttura cristallina è la fragilità, cioè la rottura del solido in seguito a un colpo forte e improvviso: l urto provoca lo slittamento di un piano del cristallo sopra l altro, ma in tal modo vengono a contatto ioni di carica uguale. La forte repulsione elettrostatica che ne deriva, genera la separazione immediata del cristallo. Bisogna quindi tener conto di queste caratteristiche del materiale in fase di lavorazione, utilizzo e trasporto. Altre caratteristiche fisiche di tali materiali sono la durezza, la rigidità, l alto punto di fusione e di ebollizione e la conducibilità elettrica (cioè la capacità di farsi attraversare dalla corrente) delle loro soluzioni acquose. M1U1 Approfondimenti Reticoli cristallini cubico semplice cubico a facce centrate cubico a corpo centrato tetragonale semplice tetragonale a corpo centrato esagonale ortorombico semplice ortorombico a corpo centrato ortorombico a basi centrate ortorombico a facce centrate romboedrico monoclino semplice monoclino a basi centrate triclino Fig Reticoli cristallini: tutti i cristalli possono essere descritti in base alla ripetizione spaziale di una delle celle elementari indicate. esercizio 1.3 Per l interrogazione Obiettivo: verificare la comprensione del paragrafo Perché un materiale a struttura cristallina è fragile?

14 10 Modulo 1 I materiali a) b) Materiali metallici I materiali metallici hanno caratteristiche particolari, che derivano dal legame presente tra i diversi atomi che li costituiscono. Raggruppano sia i metalli puri sia le leghe metalliche, a loro volta costituite da miscele omogenee di metalli diversi con l eventuale presenza di altri elementi non metallici come il carbonio. L acciaio è un esempio di lega tra ferro (metallo) e carbonio (non metallo). Nei materiali metallici si riscontra l ordine tipico dei materiali cristallini, perché i loro atomi sono ordinatamente disposti secondo una determinata cella elementare, ma gli elettroni di valenza non mantengono una posizione fissa: essi si possono spostare con facilità da un atomo all altro. Ne risulta che la struttura dei metalli è paragonabile a una disposizione ordinata di cationi, immersi in un mare di elettroni in continuo movimento: è il legame metallico. Questo particolare tipo di legame conferisce ai metalli le caratteristiche di lucentezza, alta conducibilità termica ed elettrica e la capacità di deformarsi sotto l azione di una forza esterna (Fig. 1.11). Fig a) Lavorazione artigianale di un asta di ferro; b) moneta di elettro (una lega naturale di argento e oro) coniata nella Grecia antica. La deformabilità dei metalli è una loro caratteristica, utilizzata da millenni per ottenere oggetti di vario utilizzo e pregio. Ciò è dovuto al fatto che il legame metallico non è un legame che si sviluppa in una sola direzione, per cui una forte pressione esercitata sul metallo permette di spostare con facilità i cationi dalla loro posizione originaria, mentre gli elettroni si adattano e si ridistribuiscono facilmente attorno alle nuove posizioni (Fig. 1.12). Alcuni metalli possiedono una spiccata tendenza a essere ridotti in fili (duttilità) o in lamine estremamente sottili (malleabilità). L oro possiede entrambe le caratteristiche, al punto tale che è possibile eseguire delicati e fini ricami su stoffe oppure aggiungere sottili scaglie d oro a dolci di cioccolato (Fig. 1.13). L alluminio è a sua volta molto malleabile ed è attualmente comune l uso di sottili fogli di alluminio per la conservazione dei cibi Fig a) Ricamo eseguito con fi li e lamine d oro; b) confetti guarniti con sottilissime lamine d oro. L oro ingerito passa inalterato attraverso l apparato digerente, poiché possiede una elevata resistenza all attacco chimico. b) Fig Quando una forza agisce sul metallo, i cationi metallici si spostano ma il metallo non si rompe, perché gli elettroni sono in grado di adattarsi alla nuova disposizione e impedire la repulsione tra i cationi. a) Queste caratteristiche dipendono dal tipo di reticolo cristallino del metallo. In tabella 1.6 sono riportate le uniche tre celle elementari adottate dai metalli, con il relativo fattore di impacchettamento: i metalli con atomi più compattati sono maggiormente deformabili.

15 Unità 1 Proprietà dei materiali 11 Struttura Reticolo Caratteristiche Cubica a corpo centrato (CCC) fattore di impacchettamento 68% numero atomi: 9 Metalli duri e non facilmente deformabili: ferro, tungsteno, molibdeno ecc. Cubica a facce centrate (CFC) fattore di impacchettamento 72% numero atomi: 14 Metalli duttili e malleabili: alluminio, rame, oro, piombo, argento, nichel ecc. Esagonale compatta (EC) fattore di impacchettamento 72% numero atomi: 17 Metalli fragili: zinco, magnesio, cobalto ecc. Tab. 1.6 Strutture cristalline dei metalli. Il reticolo cubico a facce centrate (CFC) è caratteristico di metalli estremamente duttili e malleabili come l oro e il rame. Nel reticolo cristallino si possono avere irregolarità determinate dalla presenza di impurità o dalla mancanza di atomi; un materiale in cui è presente uno di tali difetti, se sottoposto a sollecitazioni di vario genere, può giungere a rottura a causa di microlesioni, denominate cricche, che si propagano da queste irregolarità. esercizio 1.4 Per l interrogazione Obiettivo: verificare la comprensione del paragrafo Quali sono le proprietà di un materiale metallico? Anche l esistenza delle leghe metalliche deriva dalla grande capacità del legame metallico di adattarsi a metalli diversi: infatti gli elettroni di valenza di un metallo possono essere condivisi con qualsiasi altro elemento. Le leghe si formano e si differenziano nella fase di solidificazione della miscela di due o più metalli fusi: il metallo presente in quantità minore può sostituire nel reticolo cristallino gli atomi del metallo presente in quantità maggiore (leghe di sostituzione), oppure può posizionarsi negli spazi vuoti presenti nel reticolo (leghe interstiziali). La formazione dell una o dell altra lega dipende dalla dimensione degli atomi dei metalli fusi e dal reticolo cristallino: atomi piccoli tenderanno a occupare gli spazi vuoti presenti tra atomi più grandi, mentre atomi di dimensioni tra loro paragonabili saranno più soggetti alla sostituzione. Le leghe di sostituzione sono generalmente costituite da miscele di metalli di transizione (blocco d della tavola periodica, elementi di transizione) perché essi hanno raggi atomici simili. Per esempio, l ottone è una lega di sostituzione (Fig. 1.14), costituita da zinco (raggio atomico = 125 pm) in rame (raggio atomico = 117 pm). Se invece nella lega è presente un non metallo, essa sarà interstiziale, poiché i non metalli hanno un raggio atomico inferiore a quello dei metalli di transizione; è ciò che accade nell acciaio (Fig. 1.15), una lega costituita da ferro (raggio atomico = 116 pm) e carbonio (raggio atomico = 77 pm). MARGINE 2 Un picometro (pm) è pari a m. Fig Serratura in ottone. L ottone è una lega di sostituzione di zinco in rame. Fig Microfotografi a di un campione di martensite, una lega interstiziale di ferro e carbonio.

16 12 Modulo 1 I materiali Le caratteristiche di lavorabilità delle leghe sono in genere inferiori a quelle del metallo puro. Ciò è dovuto al fatto che la presenza di atomi estranei crea spesso delle tensioni nel materiale, diminuendo la capacità di scorrimento dei diversi piani reticolari. Anche la conducibilità elettrica diminuisce, perché il passaggio degli elettroni viene ostacolato dalla presenza di atomi estranei, come il propagarsi delle onde sul mare viene ostacolato dalla presenza di uno scoglio. Esistono però delle leghe, dette leghe tenere, che hanno una lavorabilità superiore ai metalli puri che le costituiscono; esse hanno anche una temperatura di fusione notevolmente più bassa dei singoli metalli. Queste leghe si ottengono aggiungendo a un metallo degli atomi con dimensioni leggermente più grandi: in questo modo la struttura cristallina viene alterata e diminuisce la coesione tra gli atomi. Una lega tenera è il peltro, costituito da stagno (raggio atomico = 140 pm), piombo (raggio atomico = 146 pm) e piccole quantità di antimonio (raggio atomico = 146 pm). Il peltro viene usato per imitare l argento ed è estremamente lavorabile (Fig. 1.16). Fig Medaglione in peltro, una lega di stagno, piombo e antimonio di aspetto simile all argento ed estremamente lavorabile. Un altra lega tenera a bassa temperatura di fusione è usata in alcuni sistemi antincendio; essa contiene stagno (raggio atomico = 140 pm), piombo (raggio atomico = 146 pm) e bismuto (raggio atomico = 150 pm). Da notare le dimensioni dei metalli utilizzati: le differenze di raggio atomico sono minime. esercizio 1.5 Per l interrogazione Obiettivo: comprendere i concetti teorici contenuti nel paragrafo L acciaio è una lega metallica più dura del ferro puro. Spiega che cosa può aver provocato tale aumento di durezza. Alcune leghe risultano infine non omogenee, ma formate da grani di metalli puri solidificati l uno accanto all altro. Questo accade quando i metalli costituenti la miscela di fusione sono solubili allo stato liquido, ma non lo sono allo stato solido, per cui si separano in fase di solidificazione. 1.4 Proprietà chimiche dei materiali Le proprietà chimiche dei materiali consistono nella loro capacità di resistere a diversi tipi di attacco chimico, quindi nella loro scarsa tendenza a reagire con determinate sostanze o in determinate condizioni. Gli oli, i grassi, i solventi organici possono attaccare i materiali e indebolirli per dissoluzione; oppure l attacco può avvenire a opera della luce del sole o delle radiazioni UV, che possono innescare reazioni di deterioramento e invecchiamento dei materiali. La proprietà chimica fondamentale dei materiali è quindi la loro capacità di resistere inalterati all attacco di queste diverse sostanze chimiche, di resistere, cioè alla corrosione. La corrosione è un processo chimico che degrada il materiale, poiché esso reagisce con altre sostanze e si trasforma in un materiale diverso da quello iniziale, con caratteristiche solitamente inferiori.

17 Unità 1 Proprietà dei materiali 13 Per esempio, una cancellata di ferro ha la capacità di reggere il proprio peso e di opporre un valido ostacolo a eventuali intrusioni; se però la cancellata rimane esposta all aria e alla pioggia per diversi anni, arrugginisce, si sfalda, diventa fragile e facilmente deformabile. Tutto questo accade perché il ferro della cancellata reagisce lentamente con l ossigeno e si trasforma in una miscela di ossidi di ferro, cioè in ruggine. La ruggine non ha consistenza, tende a sfaldarsi e a sgretolarsi. MARGINE 3 Secondo una definizione largamente usata in ambito chimico, si definisce acido una sostanza in grado di cedere ioni H + nel corso di una reazione, mentre si definisce base una sostanza che acquista ioni H +. La corrosione di un materiale può avvenire anche a opera di altri agenti chimici aggressivi, come le soluzioni di sostanze acide o basiche. Tale problema si presenta, per esempio, negli impianti chimici industriali, come nel processo di produzione di acido nitrico HNO 3. Questo acido è estremamente aggressivo, per cui i reattori e le tubature in cui esso scorre devono avere un alta resistenza alla corrosione (Fig. 1.17). Sostanze basiche come la soda caustica NaOH sono in grado di corrodere diversi metalli e anche il vetro, e alcuni gas come l idrogeno e il metano possono reagire con le tubature e con i materiali dei loro contenitori. Un altro agente con elevata capacità corrosiva è l acqua di mare, che agisce sui moli, sulle imbarcazioni e sugli oggetti situati in prossimità delle coste (Fig. 1.18). Fig Violenta reazione tra rame e acido nitrico concentrato: il metallo si trasforma in nitrato di rame, un sale di colore verde, con caratteristiche completamente diverse dal rame. Il gas bruno è ossido di azoto, tossico. La capacità corrosiva non è quindi limitata alle sostanze acide, ma si attiva in presenza delle sostanze più diverse, per cui diventa necessario disporre di materiali resistenti alla corrosione o di metodi che riescano a ostacolarla. Il progettista deve prevedere la sostituzione periodica di elementi soggetti a corrosione o, in alternativa, deve realizzarli con materiali poco soggetti a tale fenomeno, che sono in genere più costosi. esercizio 1.6 Per l interrogazione Obiettivo: verificare la comprensione del paragrafo Oltre agli acidi, quali altre sostanze o soluzioni hanno la capacità di corrodere i materiali? Fig Effetti della corrosione operata dall acqua di mare: l imbarcazione si è trasformata in un relitto rugginoso. RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano

18 14 Modulo 1 I materiali Sostanza Densità r (kg/m 3 ) Legno 700 Ghiaccio 917 Acqua distillata 1000 Acqua salata 1025 Corpo umano (medio) 1070 Cemento 1400 Mattoni 1800 Vetro 2600 Alluminio 2700 Zinco 7100 Ferro 7800 Acciaio 7860 Nichel 8800 Rame 8900 Argento Piombo Platino Tab. 1.7 Densità di materiali di uso comune. 1.5 Proprietà fisiche dei materiali Le proprietà fisiche dei materiali sono diverse: densità, temperatura di fusione, temperatura di ebollizione, viscosità, dilatazione termica e trovano applicazione negli ambiti tecnologici più svariati. La densità La densità (o massa volumica) r di un corpo è definita dal rapporto tra la massa m e il volume V del corpo stesso: m r = V kg m 3 In tabella 1.7 vengono riportati alcuni valori di densità. La diversa densità dei materiali permette di separarli più o meno puri da miscele anche molto complesse, come nei processi di riciclo dei rifiuti. Questi ultimi vengono preventivamente triturati da appositi macchinari e poi vagliati, cioè setacciati: in questo modo si separano i frammenti in base alla loro dimensione. Segue il processo di separazione gravimetrica, basato sulla diversa densità dei materiali componenti i rifiuti. Un separatore gravimetrico spesso usato è il classificatore ad aria, costituito da una colonna verticale, alla base della quale viene insufflata una forte corrente d aria (Fig. 1.19). I rifiuti triturati e vagliati vengono gettati dall alto: la colonna d aria investe i rifiuti e trascina verso l alto le parti più leggere, mentre i frammenti più pesanti cadono verso il fondo della colonna, dalla quale vengono allontanati, così come i materiali più leggeri vengono recuperati nella parte alta della colonna. I frammenti più leggeri sono costituiti da materiali a densità minore, mentre i più pesanti hanno una densità maggiore. La separazione è possibile poiché i rifiuti sono stati preventivamente ridotti alla stessa pezzatura, quindi hanno all incirca lo stesso volume e il loro maggiore o minor peso dipende unicamente dalla loro densità. Fig Classifi catore ad aria di materiale da separare alimentato dall alto; la corrente d aria provvede alla separazione delle particelle più pesanti da quelle più leggere. esercizio 1.7 Per l interrogazione Obiettivo: applicare la definizione di densità Spiega perché la pezzatura di una miscela di materiali è importante per la separazione tramite classificatore ad aria.

19 Unità 1 Proprietà dei materiali 15 Capacità termica In numerosi processi industriali si fornisce o sottrae calore a soluzioni o materiali; si pensi, per esempio, alla distillazione del petrolio per la produzione dei combustibili oppure alla fusione dei metalli. È quindi necessario conoscere la quantità di calore richiesta dal processo, per poter dimensionare correttamente gli impianti e prevedere le spese energetiche. La relazione che permette di calcolare il calore scambiato tra due sistemi lega tra loro massa e variazione di temperatura attraverso una costante di proporzionalità diretta: Q = m c ΔT dove m indica la massa che scambia calore, ΔT indica la variazione di temperatura: ΔT = T finale T iniziale e c è la capacità termica specifica (o calore specifico) della sostanza che ha scambiato calore; essa indica la quantità di calore che serve per innalzare di 1 C una massa di sostanza pari a 1 g (Tab. 1.8). Per determinare la capacità termica specifica di un materiale, si può misurare la variazione di temperatura di una quantità nota di acqua in cui viene immerso un campione del materiale previamente riscaldato. Tale variazione sarà proporzionale alla massa del campione ma anche alla sua capacità termica specifica, per cui essa può essere calcolata. Capacità termica specifica di alcune sostanze Materiale c [J/kg K] Acciaio 473 Acqua 4186 Alluminio 920 Argento 234 Aria 1000 Ghisa 550 Piombo 130 Rame 389 Tab. 1.8 La capacità termica specifi ca dei metalli varia notevolmente; si confrontino, per esempio, l alluminio e il piombo. MARGINE 4 Per definizione, la capacità termica specifica dell acqua è pari a 1 cal/g C (4,186 J/g C). contenitore termicamente isolato acqua agitatore contenitore dei reagenti termometro reagenti Fig Il calorimetro viene utilizzato per misurare la quantità di calore ceduta o assorbita dalle sostanze. È costituito da un contenitore isolato termicamente, al cui interno viene posizionato il contenitore dei reagenti. Nel calorimetro è posta anche una certa quantità di acqua, che si riscalda o si raffredda a seconda che la reazione ceda o assorba calore. Tali variazioni sono indicate da un termometro inserito nel calorimetro. In alcuni casi risulta più comodo utilizzare una grandezza diversa, la capacità termica di un corpo, definita come il rapporto tra il calore scambiato Q e la variazione di temperatura implicata nello scambio: C T Q = ΔT J K La capacità termica di un corpo dipende quindi dalla capacità specifica della sostanza da cui è costituito e dalla sua massa secondo la relazione: C T = c m

20 16 Modulo 1 I materiali Conduttività Materiale termica λ [W/m K] Legno ( ) 0,15 0,21 Legno (=) 0,35 0,41 Vetro 0,47 0,93 Mattoni 0,58 1,16 Nichel 58 Stagno 64 Ferro e acciai Platino 70 Tungsteno 145 Alluminio 207 Rame Argento 419 : perpendicolare alle fi bre =: parallelo alle fi bre Tab. 1.9 La conduttività termica dei metalli è molto elevata; valori inferiori si riscontrano per materiali come il vetro e il legno. Conduttività termica La conduttività (o conducibilità) termica di una sostanza è il rapporto fra la quantità di calore che passa attraverso una parete di quella sostanza e la variazione di temperatura che questo provoca, ovvero è la capacità della sostanza di trasmettere calore. In particolare, la conduttività è espressa da un parametro λ che rappresenta la quantità di calore (in joule) che una superficie di 1 m 2 di sostanza, dello spessore di 1 m, trasmette in un secondo, se tra le sue due facce opposte si stabilisce una differenza di temperatura di 1 C (o di 1 K) e si esprime in W/m K (Tab. 1.9). Questo parametro permette di calcolare, per esempio, il calore disperso attraverso le pareti di una stanza e di determinare correttamente le dimensioni del termosifone. Se non si considerasse il calore disperso all esterno, la stanza risulterebbe sempre troppo fredda. Le considerazioni precedenti permettono di mettere in relazione la quantità di calore che passa attraverso una parete costruita con un certo materiale, il salto termico e il tempo (Fig. 1.21). Per poter effettuare questa valutazione, oltre alla conducibilità termica del materiale, occorre conoscere la relazione che li lega (formula di Fourier): ΔT Q = λ S t d che esprime la quantità di calore Q [J] che in un tempo t [s] attraversa una parete di superficie S [m 2 ] avente spessore d [m]. esercizio 1.8 Prova tu Fig Per diminuire la dispersione di calore, le pareti delle abitazioni vengono coibentate, cioè ricoperte di vari strati di materiale a bassa conducibilità termica, in modo da ostacolare le dispersioni di calore all esterno. Obiettivo: applicare la formula di Fourier Una parete di mattoni ha uno spessore di 20 cm e una superficie di 1,0 m 2 e in un ora viene attraversata da una quantità di calore pari a 377 kj. Calcola la differenza di temperatura esistente tra le due facce della parete. Risoluzione Per effettuare il calcolo è necessario ricavare ΔT dalla formula di Fourier: Q d ΔT = λ S t Il valore di conduttività termica si ricava dalla tabella 1.9: l (mattoni) = 0,58 1,16 W/m K Per il nostro calcolo decidiamo in modo arbitrario di utilizzare il valore più basso dell intervallo, cioè 0,58 W/m K. Introducendo quindi i valori sopra indicati nella formula di Fourier e prestando attenzione a utilizzare le adatte unità di misura, si ottiene: Q d (J) 0,20(m) ΔT = = = 36,1K λ S t 0,58(W/m K) 1(m 2 ) 3600(s) Questo significa che tra la parte interna e quella esterna della parete esiste una differenza di 36,1 C (corrispondenti a 36,1 K).

21 Unità 1 Proprietà dei materiali 17 Temperatura di fusione Nel paragrafo 1.3 si è visto che le particelle di una sostanza solida si posizionano fra loro secondo un reticolo cristallino; grazie all energia interna propria di ogni sostanza, le particelle del reticolo oscillano attorno alla loro posizione di equilibrio. Quando si scalda la sostanza, le si trasferisce energia; questa energia determina un aumento dell ampiezza dell oscillazione delle particelle nel reticolo. Vi è una temperatura, detta temperatura di fusione, tipica di ogni sostanza solida, in corrispondenza della quale l ampiezza dell oscillazione è tale che le particelle riescono a vincere la forza del legame reticolare e si allontanano dalla posizione imposta dalla struttura cristallina, assumendo la configurazione disordinata propria dello stato liquido (Fig. 1.22). Nel corso del passaggio dallo stato solido a quello liquido, le sostanze pure mantengono temperatura costante; nelle miscele invece tale temperatura varia. La quantità di calore che occorre fornire a 1 kg di una sostanza alla temperatura di fusione perché passi completamente dallo stato solido a quello liquido è chiamata calore latente di fusione. I valori della temperatura di fusione e del calore latente di fusione sono riportati in tabella Sostanza Temperatura di fusione [K] Calore latente di fusione [kj/kg] Alluminio ,1 Argento 1233,5 105,9 Ferro ,2 Nichel Oro ,2 Piombo 600,4 24,7 Platino Rame ,7 Stagno 504,9 59,9 Zinco 692,5 102,2 Tab Temperatura di fusione e calore latente di fusione di alcune sostanze. T Fig Colata lavica. La temperatura di fusione delle rocce è elevata, ma all interno della camera vulcanica la temperatura raggiunge valori tali da permettere la loro fusione. M1U1 Approfondimenti Dilatazione dei solidi sostanza amorfa Il comportamento di una sostanza cristallina durante la fusione è diverso da quello riscontrato per una sostanza amorfa. La curva di figura 1.23 mostra chiaramente che la temperatura della sostanza amorfa non rimane costante durante il passaggio dallo stato solido a quello liquido. T f a b sostanza cristallina esercizio 1.9 Per l interrogazione Obiettivo: verificare la comprensione del processo di fusione Descrivi, in termini di moto delle particelle, che cosa accade nel corso della fusione di un materiale. fase di fusione Fig Andamento tipico della temperatura in funzione della quantità di calore fornita; da notare il diverso profi lo riscontrabile tra una sostanza cristallina (a) e una sostanza amorfa (b). Q

22 18 Modulo 1 I materiali Fig Giunto di dilatazione inserito in un cavalcavia. La dilatazione termica estiva viene compensata dallo spazio presente tra le estremità del giunto, impedendo così l instaurarsi di pericolose tensioni che porterebbero al crollo del cavalcavia o al danneggiamento del piano stradale. Dilatazione termica Come si è visto descrivendo il processo di fusione, quando si fornisce calore a un materiale aumenta l oscillazione delle particelle del reticolo. Questo fa sì che esse tendano a occupare uno spazio maggiore: si ha quindi dilatazione termica del materiale. Tale proprietà è di notevole importanza nella costruzione di edifici, ponti, binari. Infatti le variazioni di temperatura che si registrano tra l inverno e l estate causano una diversa dilatazione dei materiali che genera tensioni interne notevolissime, con la conseguenza di rendere instabile una costruzione oppure di deformare la struttura stessa. Per questo motivo i ponti e i cavalcavia di una certa lunghezza presentano sempre dei giunti di dilatazione termica, simili a una gigantesca cerniera metallica posta a intervalli regolari; tra i denti della cerniera si lascia dello spazio, in modo che nella stagione estiva la dilatazione della struttura del cavalcavia venga compensata dallo spazio a disposizione (Fig. 1.24). La dilatazione avviene in tutte le direzioni ma viene rilevata maggiormente lungo la dimensione geometrica prevalente di un corpo. Si consideri, per esempio, un corpo avente come dimensione prevalente la lunghezza; se questa vale L 0 alla temperatura iniziale T 0, riscaldando il corpo alla temperatura T 1, questo assume una lunghezza L 1 > L 0 secondo la relazione: (L 1 L 0 ) = a L 0 (T 1 T 0 ) Ovvero: ΔL = a L 0 ΔT Materiale Coefficiente a 10-6 [K -1 ] Acciaio 11 Alluminio 24 Ferro 12 Oro 14,30 Ottone 19 Platino 9 Pyrex 4 Quarzo 0,59 Rame 18 Silicio 3 Tungsteno 4,50 Calcestruzzo 13 Vetro 9 Tab Coeffi ciente di dilatazione di alcuni materiali. I metalli mostrano elevati coeffi cienti di dilatazione, mentre il calcestruzzo risulta meno sensibile alle variazioni di temperatura. dove a è il coefficiente di dilatazione lineare (Tab. 1.11), tipico di ciascuna sostanza in un dato intervallo di temperatura; in genere si misura in [m/k m] esercizio 1.10 Prova tu Obiettivo: calcolare la dilatazione lineare di un materiale Un binario ferroviario è realizzato in acciaio e ha lunghezza di 18 m alla temperatura di 20 C. In una giornata molto calda, il binario, esposto al sole pieno, può raggiungere la temperatura di 90 C. Calcola l allungamento subìto dal binario. Risoluzione La variazione di temperatura è di 70 C, pari a 70 K: ΔT = ( ) K ( ) K = 70 K Poiché il binario è in acciaio, a = K -1 (Tab. 1.11). La variazione di lunghezza del binario sarà quindi: ΔL = a ΔT L 0 = K K 18 m = 0,014 m = 1,4 cm Nelle unioni dei tratti di binario devono quindi essere previsti giunti di dilatazione per compensare una così marcata dilatazione termica.