Mikä on tilavuuden laajentuminen? (Esimerkkejä)



Volumetrinen laajentuminen on fyysinen ilmiö, joka merkitsee kehon kolmen ulottuvuuden vaihtelua. Useimpien aineiden määrä tai mitat lisääntyvät kuumennettaessa; Tämä on ilmiö, joka tunnetaan lämpölaajenemisena, mutta on olemassa myös aineita, jotka kuumenevat.

Vaikka tilavuusmuutokset ovat kiintoaineille suhteellisen pieniä, niillä on suuri tekninen merkitys, pääasiassa tilanteissa, joissa halutaan liittyä eri tavalla laajenevia materiaaleja..

Joidenkin kiintoaineiden muoto kärsii vääristyksestä kuumennettaessa ja voi laajentaa joissakin suuntiin ja sopia muissa. Kuitenkin, jos tietyn ulottuvuuden laajentuminen on vain, tällaisia ​​laajennuksia on luokiteltu:

  • Lineaarinen laajentuminen tapahtuu, kun tietyn ulottuvuuden vaihtelu vallitsee, kuten kehon pituus, leveys tai korkeus.
  • Pintapuolinen laajentuminen on se, että vaihtelu kahdessa näistä kolmesta ulottuvuudesta vallitsee.
  • Lopuksi tilavuuden laajentuminen merkitsee kehon kolmen ulottuvuuden vaihtelua.

indeksi

  • 1 Lämpölaajenemiseen liittyvät perusajatukset
    • 1.1 Lämpöenergia
    • 1.2 Lämpö
    • 1.3 Lämpötila
  • 2 Mitkä ovat lämpölaajenemisen perusominaisuudet?
  • 3 Mikä on lämpölaajenemisen perimmäinen syy?
    • 3.1 Lineaarinen laajennus
    • 3.2 Pinnan laajentuminen
    • 3.3 Tilavuuslaajennus
  • 4 Esimerkkejä
  • 5 Kirjallisuus

Lämpölaajenemiseen liittyvät perusajatukset

Lämpöenergia

Aine koostuu atomeista, jotka ovat jatkuvassa liikkeessä, joko liikkuvat tai värähtelevät. Kineettistä energiaa (tai liikettä), jolla atomit liikkuvat, kutsutaan lämpöenergiaksi, sitä nopeammin ne liikkuvat, sitä enemmän lämpöenergiaa heillä on.

lämpö

Lämpö on kahden tai useamman aineen tai aineesta toiseen makroskooppisen asteen välillä siirretty lämpöenergia. Tämä tarkoittaa, että kuuma runko voi luopua osasta lämpöenergiaa ja vaikuttaa siihen lähellä olevaan kehoon.

Siirrettävän lämpöenergian määrä riippuu läheisen kehon luonteesta ja niiden erottavasta väliaineesta.

lämpötila

Lämpötilan käsite on olennaisen tärkeä lämmön vaikutusten tutkimiseksi, kehon lämpötila on mitta sen kyvystä siirtää lämpöä muille elimille.

Kaksi keskinäisessä kosketuksessa olevaa tai sopivalla väliaineella (lämpöjohtimella) erotettua elintä ovat samassa lämpötilassa, jos niiden välillä ei ole lämpövirtaa. Samoin runko X on korkeampi kuin kehon lämpötila ja jos lämpö virtaa X: stä Y: hen.

Mitkä ovat lämpölaajenemisen perusominaisuudet?

Se liittyy selvästi lämpötilan muutokseen, sitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi on laajennus. Se riippuu myös materiaalin sisäisestä rakenteesta, lämpömittarista, elohopean laajeneminen on paljon suurempi kuin sitä sisältävän lasin laajeneminen.

Mikä on lämpölaajenemisen perimmäinen syy?

Lämpötilan nousu merkitsee aineen yksittäisten atomien kineettisen energian kasvua. Kiinteässä, toisin kuin kaasu, atomit tai molekyylit ovat tiiviisti toisiinsa, mutta niiden kineettinen energia (pieninä ja nopeana värinäinä) erottaa atomit tai molekyylit toisistaan.

Tämä vierekkäisten atomien erottuminen kasvaa ja johtaa kiinteän aineen koon kasvuun.

Useimmille tavanomaisissa olosuhteissa oleville aineille ei ole edullista suuntaa, jossa lämpölaajeneminen tapahtuu, ja lämpötilan nousu lisää kiinteän aineen kokoa tietyllä fraktiolla kussakin ulottuvuudessa.

Lineaarinen laajentuminen

Yksinkertaisin esimerkki laajentumisesta on laajennus yhdellä ulottuvuudella (lineaarinen). On kokeellisesti havaittu, että aineen pituuden ΔL muutos on verrannollinen lämpötilan ΔT ja alkupituuden Lo muutokseen (kuvio 1). Voimme edustaa tätä seuraavalla tavalla:

DL = aLoDT

jossa α on suhteellisuuskerroin, jota kutsutaan lineaarisen laajenemiskertoimen ja joka on ominaista kullekin materiaalille. Jotkin tämän kertoimen arvot on esitetty taulukossa A.

Lineaarisen laajenemiskerroin on suurempi materiaaleille, joilla on suurempi lämpötila-aste, joka kasvaa sen lämpötilaa.

Pinnan dilataatio

Kun taso otetaan kiinteän rungon sisään, niin että tämä taso on se, joka läpäisee lämpölaajenemisen (kuvio 2), alueen ΔA muutos saadaan seuraavasti:

DA = 2aA0

jossa ΔA on muutos alkuperäisellä alueella Ao, T on lämpötilan muutos ja α on lineaarisen laajentumisen kerroin.

Tilavuuslaajennus

Kuten aikaisemmissa tapauksissa, tilavuuden AV muutos voidaan lähentää suhteeseen (kuvio 3). Tämä yhtälö kirjoitetaan yleensä seuraavasti:

DV = bVoDT

missä β on tilavuuslaajenemiskerroin ja se on suunnilleen yhtä suuri kuin 3α Λα τα ßλα 2, joidenkin materiaalien volumetrisen laajenemiskertoimien arvot esitetään.

Yleensä aineet laajenevat lämpötilan noustessa, vesi on tärkein poikkeus tähän sääntöön. Vesi laajenee, kun lämpötila nousee, kun se on yli 4 ºC.

Se myös laajenee, kun lämpötilaa pienennetään alueella 4 ° C - 0 ° C. Tämä vaikutus voidaan havaita, kun vesi laitetaan jääkaapin sisään, vesi laajenee jäädytettäessä ja jäätä on vaikea purkaa säiliöstä tämän laajennuksen avulla..

esimerkit

Tilavuuden laajentumisen erot voivat johtaa mielenkiintoisiin vaikutuksiin huoltoasemalla. Esimerkki on bensiinin tippuminen säiliöön, joka on juuri täytetty kuuman päivän aikana.

Bensiini jäähdyttää terässäiliötä, kun se kaadetaan, ja sekä bensiini että säiliö laajenevat ympäröivän ilman lämpötilan kanssa. Bensiini kuitenkin laajenee paljon nopeammin kuin teräs ja tällöin tippuu säiliöstä.

Bensiinin ja sen sisältävän säiliön välisen laajenemisen ero voi aiheuttaa ongelmia polttoaineen tasoilmaisimen lukemisen yhteydessä. Säiliöön jääneen bensiinin (massan) määrä, kun indikaattori saavuttaa vakuumitason, on paljon pienempi kesällä kuin talvella.

Bensiinillä on sama tilavuus molemmissa asemissa, kun varoitusvalo syttyy, mutta koska bensiini laajenee kesän aikana, sillä on pienempi massa.

Esimerkiksi sitä voidaan pitää täyden teräksen bensiinisäiliönä, jonka kapasiteetti on 60 l. Jos säiliön ja bensiinin lämpötila on 15 ºC, kuinka paljon kaasua valuu 35 ° C: n lämpötilaan saakka?

Säiliön ja bensiinin määrä kasvaa lämpötilan nousun vuoksi, mutta bensiini kasvaa enemmän kuin säiliö. Niinpä roiskunut bensiini tulee olemaan ero tilavuusmuutoksissasi. Tilavuuden laajennuksen yhtälöä voidaan sitten käyttää tilavuusmuutosten laskemiseen:

Lämpötilan nousun aiheuttama tilavuus on sitten:

Yhdistämällä nämä 3 yhtälöä yhdessä:

Taulukosta 2 saadaan tilavuuslaajenemiskertoimen arvot, jotka korvaavat arvot:

Vaikka tämä määrä vuotettua kaasua on suhteellisen vähäinen verrattuna 60 litran säiliöön, vaikutus on yllättävää, koska bensiini ja teräs laajenevat hyvin nopeasti.

bibliografia

  1. Yen Ho Cho, Taylor R. Lämpölaajeneminen ASM International, 1998.
  2. H. Ibach, Hans Lüthin solid-state-fysiikka: Johdatus materiaalitieteen periaatteisiin Springer Science & Business Media, 2003.
  3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, Volume 1. Wiley, 2001.
  4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Klassisen fysiikan elementit Elsevier, 2013.
  5. Zemansky Mark W. Lämpö ja termodynamiikka. Editorial Aguilar, 1979.