Co to jest rozszerzenie objętościowe? (Z przykładami)

Rozszerzenie objętościowe Jest to zjawisko fizyczne, które implikuje zmianę trzech wymiarów ciała. Objętość lub wymiary większości substancji rosną, gdy są one poddane ciepło; Jest to zjawisko znane jako rozszerzenie termiczne, jednak istnieją również substancje, które kurczą się po podgrzaniu.

Chociaż zmiany objętości są stosunkowo niewielkie dla ciał stałych, mają duże znaczenie techniczne, głównie w sytuacjach, w których pożądane jest dołączenie do materiałów, które rozszerzają się inaczej.

Kształt niektórych ciał stałych cierpi z powodu zniekształceń po podgrzaniu i może rozszerzać się w niektórych kierunkach i kurczyć się w innych. Jednak gdy istnieje tylko rozszerzenie w pewnej liczbie wymiarów, istnieje klasyfikacja takich rozszerzeń:

• Rozszerzenie liniowe występuje, gdy dominuje zmienność w określonym wymiarze, takim jak długość, szeroka lub wysoka ciała.
• Powierzchowne rozszerzenie polega na tym, że zmienność przeważa w dwóch z trzech wymiarów.
• Wreszcie rozszerzenie objętościowe implikuje zmianę trzech wymiarów ciała.

[TOC]

Podstawowe pojęcia związane z rozszerzeniem termicznym

Energia cieplna

Materia jest tworzona przez atomy, które są w ciągłym ruchu, poruszające się lub wibrujące. Energia kinetyczna (lub ruch), z którymi poruszają się atomy, nazywa się energią cieplną, tym szybciej poruszają.

Ciepło

Ciepło jest energią cieplną przenoszoną między dwiema lub więcej substancjami lub z jednej części substancji na drugą w skali makroskopowej. Oznacza to, że gorące ciało może dać część swojej energii cieplnej i wpływać na ciało bliskie.

Ilość przeniesionej energii cieplnej zależy od charakteru bliskiego ciała i środowiska, które je oddziela.

Temperatura

Koncepcja temperatury jest niezbędna do badania efektów cieplnych, temperatura ciała jest miarą jego zdolności do przenoszenia ciepła do innych ciał.

Może ci służyć: entalpia reakcji: definicja, termochemia, ćwiczenia

Dwa ciała w kontakcie wzajemnym lub oddzielone odpowiednimi środkami (przewodnik cieplny) będą w tej samej temperaturze, jeśli nie występuje przepływ ciepła między nimi. Podobnie ciało X będzie w temperaturze większej niż w przypadku ciała i jeśli ciepło płynie z x a i.

Jakie są podstawowe właściwości rozszerzenia termicznego?

Jest to wyraźnie związane ze zmianą temperatury, przy wyższym rozszerzeniu temperatury. Zależy również od wewnętrznej struktury materiału, w termometrze rozszerzenie rtęci jest znacznie większe niż rozszerzenie szkła, które go zawiera.

Jaka jest podstawowa przyczyna rozszerzenia termicznego?

Wzrost temperatury implikuje wzrost energii kinetycznej poszczególnych atomów w substancji. W stałym, w przeciwieństwie do gazu, atomy lub cząsteczki są ściśle razem, ale ich energia kinetyczna (w postaci małych i szybkich wibracji) oddziela się od siebie na atomy lub cząsteczki.

To oddzielenie między sąsiednimi atomami rośnie i powoduje wzrost wielkości stałej.

W przypadku większości substancji w zwykłych warunkach nie ma preferencyjnego kierunku, w którym występuje rozszerzenie termiczne, a wzrost temperatury zwiększy wielkość substancji stałej o określoną frakcję w każdym wymiarze.

Liniowe rozszerzenie

Najprostszym przykładem ekspansji jest rozszerzenie w wymiarze (liniowym). Eksperymentalnie stwierdzono, że zmiana długości ΔL substancji jest proporcjonalna do zmiany temperatury ΔT i długości początkowej LO (ryc. 1). Możemy to reprezentować w następujący sposób:

Dl = alodt

gdzie α jest współczynnikiem proporcjonalności zwanym współczynnikiem rozszerzenia liniowego i jest charakterystyczny dla każdego materiału. Niektóre wartości tego współczynnika pokazano w tabeli A.

Współczynnik rozszerzenia liniowego jest wyższy dla materiałów, które doświadczają większego rozszerzenia dla każdego stopnia elastycznego, który podnosi jego temperaturę.

Może ci służyć: Młody moduł: obliczenia, aplikacje, przykłady, ćwiczenia

Powierzchowne rozszerzenie

Gdy płaszczyzna jest pobierana w ciele stałym, tak że płaszczyzna ten, który cierpi na rozszerzalność cieplną (ryc. 2), zmiana obszaru δA jest podana przez:

DA = 2AA0

Gdzie δA jest zmianą w początkowym obszarze AO, t to zmiana temperatury, a α jest liniowym współczynnikiem rozszerzenia.

Rozszerzenie objętościowe

Podobnie jak w poprzednich przypadkach, zmianę objętości δV można przybliżić stosunek (ryc. 3). To równanie jest zwykle napisane w następujący sposób:

Dv = bvodt

gdzie β jest współczynnikiem rozszerzenia objętościowego i jest w przybliżeniu równy 3∝ λ∝ τ∝ ßλ∝ 2 Wartości współczynników rozszerzalności objętościowej dla niektórych materiałów są.

Ogólnie rzecz biorąc, substancje wzrosną pod wzrostem temperatury, woda jest najważniejszym wyjątkiem od tej zasady. Woda rozszerza się, gdy jej temperatura wzrasta, gdy jest większa niż 4ºC.

Jednak rozszerza się również poprzez zmniejszenie jego temperatury w odstępie 4ºC do 0ºC. Efekt ten można zaobserwować, gdy woda jest umieszczana do lodówki, woda rozszerza się podczas zamrażania i trudno jest wyodrębnić lód z pojemnika przez wspomniane rozszerzenie.

Przykłady

Różnice w rozszerzeniu objętościowym mogą prowadzić do interesujących efektów w stacji benzynowej. Przykładem jest kroplówka benzyny w zbiorniku, który właśnie został wypełniony na upalny dzień.

Benzyna chłodzi stalowy zbiornik, gdy jest rozlany, a zarówno benzyna, jak i zbiornik rozszerzają się otaczającą temperaturą powietrza. Jednak benzyna rozszerza się znacznie szybciej niż stal, a zatem występuje kroplówka na zewnątrz zbiornika.

Może ci służyć: wrażliwe ciepło: koncepcja, formuły i ćwiczenia rozwiązane

Różnica w rozszerzeniu między benzyną a zawierającym ją zbiornikiem może powodować problemy poprzez odczyt wskaźnika poziomu paliwa. Ilość benzyny (masy), która pozostaje w zbiorniku, gdy wskaźnik osiąga poziom próżniowy, jest znacznie niższa w lecie.

Benzyna ma tę samą objętość na obu stacjach, gdy włącza się światło ostrzegawcze, ale ponieważ benzyna rozszerza się latem, ma niższą masę.

Na przykład można wziąć pod uwagę pełny stalowy zbiornik benzyny, o pojemności 60L. Jeśli temperatura zbiornika i benzyny wynosi 15ºC, ile benzyny rozleje się w momencie, gdy osiągnie temperaturę 35ºC?

Zbiornik i benzyna zwiększą objętość ze względu na wzrost temperatury, ale benzyna wzrośnie więcej niż zbiornik. Tak, że rozlana benzyna będzie różnicą w zmianach objętości. Do obliczenia zmian objętości można następnie użyć równania rozszerzenia objętościowego:

Objętość rozlana przez wzrost temperatury jest następnie:

Łącząc te 3 równania w jednym, masz:

Tabela 2 uzyskała wartości współczynnika rozszerzenia objętościowego, zastępując wartości:

Chociaż ta ilość rozlanej benzyny jest stosunkowo nieistotna w porównaniu do zbiornika 60 L, efekt jest zaskakujący, ponieważ benzyna i stalowe rozszerzają się bardzo szybko.

Bibliografia

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Ekspansja tempa Solids ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Solid-State Physics: An Wprowadzenie do zasad nauki materialnej Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday d., Resnick r., Krane k. Fizyka, tom 1. Wiley, 2001.
4. Martin c. Martin, Charles A. Elementy Hewett Classical Physics Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Ciepło i termodynamika. Redakcja Aguilar, 1979.