Delle caratteristiche meccaniche dei materiali si parla molto spesso in queste pagine. Va diversamente per quelle termiche, la cui conoscenza viene forse data un po’ troppo per scontata. Per questa ragione appare ora opportuno esaminare queste ultime con un minimo di approfondimento, sottolineando anche il loro significato, in particolare per quanto riguarda il nostro settore.
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Calore e temperatura
Cominciamo dicendo che il calore e la temperatura sono due cose diverse. Il primo è un’energia (e infatti si misura in joule) mentre la seconda è una grandezza fisica fondamentale, a se stante, che si indica in kelvin o in gradi Celsius (K o °C) e che può essere misurata direttamente.
Si tratta cioè rispettivamente della quantità di energia termica e della sua “qualità”, ovvero del livello della attività termica. Cosa succede quando si scalda un oggetto? Gli si fornisce calore grazie alla conduzione, alla convezione e/o all’irraggiamento. Allo stesso modo il calore può essere smaltito, ovvero ceduto a un fluido o a un corpo a temperatura minore. In tal caso l’oggetto viene raffreddato e la sua temperatura diminuisce. I meccanismi che regolano il flusso di calore nei diversi componenti sono fondamentali per il motore.
Il calore specifico è il potere di “assorbimento” dell’energia termica per unità di massa di un materiale. Esso indica cioè l’attitudine del materiale a incamerare calore. Per misurarlo si prende come riferimento la quantità di calore necessaria per aumentare di un grado la temperatura di un chilo di acqua. A parità di massa, per avere lo stesso incremento di temperatura l’acqua deve assorbire una quantità di energia termica circa nove volte maggiore rispetto al ferro.
Il calore specifico, che di norma si indica in kJ/(kg K), è di grande importanza nel caso dei liquidi di raffreddamento. Quello dell’acqua è elevatissimo e la rende eccellente per tale impiego. Nelle moto di serie però si usa un liquido costituito da una miscela di acqua e glicol, che ha un calore specifico e una conduttività termica inferiori rispetto all’acqua pura. Di conseguenza la temperatura di tale liquido durante il funzionamento del motore risulta leggermente maggiore. Nelle moto da competizione si impiega soltanto acqua anche per ragioni di sicurezza: in caso di caduta non lascia sull’asfalto una patina leggermente scivolosa. In seguito all’apporto di calore, la temperatura di un corpo aumenta e con essa anche le sue dimensioni. Crescono l’ampiezza delle oscillazioni atomiche e la distanza media tra gli atomi che vibrano attorno alle loro posizioni nel reticolo cristallino. Oltre che dalla variazione di temperatura, l’aumento delle dimensioni dipende dal coefficiente di dilatazione termica del materiale. Di norma si fa riferimento al coefficiente lineare, ovvero all’incremento della lunghezza di un’asta o di una barra rettilinea determinato da un aumento di temperatura di 1° C (che come noto è eguale a 1 K).
Tale coefficiente costituisce una delle caratteristiche di maggiore importanza di qualunque materiale. Le dimensioni di due organi uguali, portati alla stessa temperatura ma realizzati con metalli differenti, varieranno in misura diversa a seconda del loro coefficiente di dilatazione.
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