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Viscoelasticità

1850

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

La viscoelasticità è la proprietà dei materiali che presentano caratteristiche sia viscose che elastiche quando subiscono una deformazione. I materiali viscosi, come il miele, resistono al flusso di taglio e ceppo linearmente con il tempo quando un stress viene applicata. I materiali elastici, come un elastico, si tendono quando vengono allungati e ritornano rapidamente allo stato originale una volta rimossa la sollecitazione. I materiali viscoelastici presentano elementi di entrambi.

Il comportamento viscoelastico è una conseguenza del riassetto della microstruttura di un materiale in funzione del tempo. Quando viene applicata una sollecitazione, una parte dell'energia viene immagazzinata elasticamente nell'allungamento o nella flessione dei legami molecolari, mentre una parte viene dissipata sotto forma di calore attraverso lo scorrimento viscoso delle molecole le une sulle altre. Questo duplice comportamento porta a diversi fenomeni caratteristici. Uno è il creep, in cui il materiale continua a deformarsi lentamente nel tempo sotto un carico costante. Un altro è il rilassamento da sforzo, in cui la sollecitazione necessaria per mantenere una deformazione costante diminuisce nel tempo con il riarrangiamento della struttura interna del materiale.

This time-dependent response is often modeled using combinations of ideal springs (representing the elastic component, following Hooke’s Law) and dashpots (representing the viscous component, following Newton’s Law of Viscosity). Simple models like the Maxwell model (spring and dashpot in series) and the Kelvin-Voigt model (spring and dashpot in parallel) capture the basic features of stress relaxation and creep, respectively. More complex models, such as the Standard Linear Solid model, combine these elements to provide a more accurate description of real materials.

Il comportamento dei materiali viscoelastici dipende anche fortemente dalla temperatura e dalla velocità di deformazione applicata. A basse temperature o ad alte velocità di deformazione, tendono a comportarsi più come solidi elastici, mentre ad alte temperature o basse velocità di deformazione, si comportano più come fluidi viscosi. Questo è noto come principio di sovrapposizione tempo-temperatura.

Test di scorrimento, Elastomeri, Proprietà meccaniche, Polimeri, Garanzia di qualità, Controllo di qualità, Reologia, Corrosione da stress, Analisi delle vibrazioni

UNESCO Nomenclature: 2203

- Meccanica del continuo

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

legge di hooke sull'elasticità (1660)
legge di newton sulla viscosità (1687)
primi studi sugli effetti successivi dell'elasticità di Wilhelm Weber (1835)
sviluppo della scienza dei polimeri

Applicazioni

materassi in memory foam
ammortizzatori nei veicoli
polimeri sintetici e materie plastiche
tessuti umani e biomeccanica
materiali antivibranti
adesivi sensibili alla pressione

Brevetti:

Idee e potenziali innovazioni

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Correlato a: viscoelasticità, reologia, creep, rilassamento da sforzo, polimeri, biomeccanica, modello di maxwell, modello di kelvin-voigt.

Contesto storico

Uno dei primi dispositivi a celle a combustibile realizzato da William Grove, che illustra i principi elettrochimici della chimica fisica.

Cella a combustibile

Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che converte direttamente l'energia chimica di un combustibile, tipicamente idrogeno, e di un agente ossidante, spesso ossigeno, in elettricità. A differenza di una batteria, richiede un apporto esterno continuo di combustibile e ossidante per funzionare. I componenti principali sono un anodo, un catodo e un elettrolita che li separa, facilitando il trasporto degli ioni.

Dimostrazione del riscaldamento Joule in un laboratorio d'epoca con apparecchi elettrici.

Riscaldamento Joule ed energia elettrica

Il riscaldamento Joule, o riscaldamento ohmico, è il fenomeno per cui il calore viene prodotto da una corrente elettrica che attraversa un conduttore. La velocità di generazione del calore, o potenza dissipata ([latex]P[/latex]), è data dalla prima legge di Joule, [latex]P = VI[/latex]. Combinandola con la legge di Ohm, la potenza può essere espressa come [latex]P = I^2 R[/latex] o [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].

Apparecchiatura di laboratorio per la misurazione dell'energia interna e dell'entalpia di un gas perfetto in termodinamica.

Energia interna ed entalpia di un gas perfetto

Per un gas perfetto, l'energia interna ([latex]U[/latex]) e l'entalpia ([latex]H[/latex]) sono funzioni della sola temperatura. Le loro variazioni sono date da [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] e [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], dove [latex]c_v[/latex] e [latex]c_p[/latex] sono i calori specifici a volume e pressione costanti, rispettivamente, e si assumono costanti.

Viscoelasticità

Scienziato che misura la sublimazione in un laboratorio d'epoca, studio di termodinamica.

Enthalpy of Sublimation

L'entalpia di sublimazione, [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex], è il calore necessario per convertire una mole di una sostanza da solida a gassosa a una data temperatura e pressione. Secondo la legge di Hess, poiché l'entalpia è una funzione di stato, questa variazione di energia è la somma dell'entalpia di fusione ([latex]\Delta H_{\text{fus}}[/latex]) e dell'entalpia di vaporizzazione ([latex]\Delta H_{\text{vap}}[/latex]).

Ingegneri che progettano un efficiente motore termico in laboratorio, illustrando le applicazioni della termodinamica.

Seconda legge della termodinamica

La Seconda Legge introduce il concetto di entropia e definisce la direzione dei processi spontanei. Può essere enunciata in diversi modi, ma una conseguenza fondamentale è che l'entropia totale di un sistema isolato non può mai diminuire nel tempo. Questa legge spiega la "freccia del tempo" e perché i processi sono irreversibili, come il calore che fluisce spontaneamente da un corpo caldo a uno freddo.

Scena di laboratorio che illustra gli esperimenti termodinamici sul modello dei gas perfetti.

Il modello del gas perfetto

Un gas perfetto è un modello teorico di un gas in cui le forze intermolecolari sono trascurate e le capacità termiche specifiche ([latex]C_P[/latex] e [latex]C_V[/latex]) sono assunte costanti rispetto alla temperatura. Questo semplifica notevolmente i calcoli termodinamici. Si tratta di un caso specifico di gas ideale, in cui i calori specifici possono variare con la temperatura, il che lo rende un modello più vincolato.

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Cella Daniell con elettrodi di rame e zinco in un laboratorio di elettrochimica.

Operazione Daniell Cell

Un miglioramento della pila di Volta, la cella Daniell è costituita da un elettrodo di rame in una soluzione di solfato di rame(II) e da un elettrodo di zinco in una soluzione di solfato di zinco, separati da una barriera porosa. Questa configurazione a due fluidi impedisce l'accumulo di idrogeno gassoso (polarizzazione) sull'elettrodo di rame, garantendo una fonte di tensione molto più stabile e affidabile per una durata maggiore.

Installazione di un pannello solare che dimostra l'effetto fotovoltaico nella fisica dello stato solido.

The Photovoltaic Effect

The photovoltaic effect is the generation of voltage and electric current in a material upon exposure to light. It is a physical and chemical phenomenon. A common application is the solar cell, which uses this effect to convert sunlight directly into electricity. The effect is based on photons of light exciting electrons into a higher state of energy.

Laboratorio del XIX secolo con strumenti termodinamici ed equazioni di Mayer.

Relazione di Mayer (termodinamica)

La relazione di Mayer collega i calori specifici di un gas perfetto alla costante specifica del gas ([latex]R_s[/latex]). La relazione è [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. Per i calori specifici molari ([latex]C_p[/latex] e [latex]C_v[/latex]), la relazione è [latex]C_p - C_v = R[/latex], dove [latex]R[/latex] è la costante universale dei gas. Questo dimostra che [latex]c_p[/latex] è sempre maggiore di [latex]c_v[/latex].

Conservazione dell'energia

Principio fondamentale secondo cui l'energia totale di un sistema isolato rimane costante nel tempo. L'energia non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma all'altra, ad esempio da energia potenziale a energia cinetica. Nella meccanica classica, per i sistemi con sole forze conservative, si conserva l'energia meccanica totale [latex]E = T + V[/latex].

Set di laboratorio per la misurazione della viscosità dei fluidi a diverse temperature nell'ambito della termodinamica.

Dipendenza della viscosità dalla temperatura

Per un fluido newtoniano, la viscosità è funzione di temperatura e pressione, ma non della velocità di taglio. Nei liquidi, la viscosità diminuisce significativamente all'aumentare della temperatura, poiché una maggiore energia termica consente alle molecole di superare più facilmente le forze intermolecolari di coesione. Al contrario, nei gas, la viscosità aumenta con la temperatura, poiché collisioni molecolari più frequenti a velocità più elevate determinano un maggiore trasferimento di quantità di moto.