Kaj je volumetrična dilacija? (S primeri)

Volumetrična dilacija je fizični pojav, ki vključuje variacijo v treh dimenzijah telesa. Prostornina ali dimenzije večine snovi se povečajo, ko so izpostavljene toploti; To je pojav, znan kot toplotno raztezanje, vendar obstajajo tudi snovi, ki se pri segrevanju strgajo.

Čeprav so spremembe volumna za trdne snovi relativno majhne, ​​so zelo tehnično pomembne, predvsem v primerih, ko je zaželeno, da se materiali, ki se širijo, združijo na drugačen način..

Oblika nekaterih trdnih snovi trpi zaradi izkrivljanja pri segrevanju in se lahko razširi v nekaterih smereh in se zožuje v drugih. Če pa je v določenem številu dimenzij le razširitev, obstaja razvrstitev za takšne razširitve:

• Linearna dilacija se pojavi, kadar prevladuje sprememba v določeni dimenziji, kot sta dolžina, širina ali višina telesa.
• Površna dilacija je tista, kjer prevladuje sprememba v dveh od treh dimenzij.
• Nazadnje, volumetrična dilacija pomeni variacijo v treh dimenzijah telesa.

Indeks

• 1 Osnovni pojmi, povezani s toplotnim raztezanjem
  • 1.1 Toplotna energija
  • 1.2 Toplota
  • 1.3 Temperatura
• 2 Katere so osnovne lastnosti toplotnega raztezanja?
• 3 Kaj je temeljni vzrok toplotnega raztezanja?
  • 3.1 Linearna širitev
  • 3.2 Površinska dilatacija
  • 3.3 Prostorninska dilatacija
• 4 Primeri
• 5 Bibliografija

Osnovni pojmi, povezani s toplotnim raztezanjem

Toplotna energija

Snov je sestavljena iz atomov, ki so v stalnem gibanju, bodisi se gibljejo ali vibrirajo. Kinetična energija (ali gibanje), s katero se atomi premikajo, se imenuje toplotna energija, hitreje se premikajo, več toplotne energije imajo.

Toplota

Toplota je toplotna energija, ki se prenaša med dvema ali več snovmi ali iz ene snovi v drugo na makroskopski ravni. To pomeni, da se vroče telo lahko odreče delu svoje toplotne energije in vpliva na telo blizu nje.

Količina prenesene toplotne energije je odvisna od narave bližnjega telesa in medija, ki jih ločuje.

Temperatura

Koncept temperature je temeljnega pomena za preučevanje učinkov toplote, temperatura telesa pa je merilo njegove sposobnosti prenosa toplote na druga telesa..

Dva telesa v medsebojnem stiku ali ločena s primernim medijem (prevodnik toplote) bosta pri isti temperaturi, če med njimi ne bo toplotnega toka. Tudi telo X bo najdeno pri temperaturi, ki je višja od temperature telesa in če toplota teče iz X v Y.

Katere so osnovne lastnosti toplotnega raztezanja?

Jasno je povezano s temperaturno spremembo, višja je temperatura, večja je širitev. Odvisno je tudi od notranje strukture materiala, v termometru pa je ekspanzija živega srebra veliko večja kot širitev stekla, ki ga vsebuje.

Kaj je temeljni vzrok toplotne ekspanzije?

Povišanje temperature pomeni povečanje kinetične energije posameznih atomov v snovi. V trdni, za razliko od plina, so atomi ali molekule tesno povezani, vendar njihova kinetična energija (v obliki majhnih in hitrih vibracij) ločuje atome ali molekule drug od drugega..

To ločevanje med sosednjimi atomi postaja vse večje in povzroči povečanje velikosti trdne snovi.

Za večino snovi v običajnih pogojih ni prednostne smeri, v kateri pride do toplotnega raztezanja, in povečanje temperature bo povečalo velikost trdne snovi za določeno frakcijo v vsaki dimenziji..

Linearna dilatacija

Najpreprostejši primer razširitve je razširitev v eno dimenzijo (linearno). Eksperimentalno je ugotovljeno, da je sprememba v dolžini ΔL snovi sorazmerna s spremembo temperature ΔT in začetne dolžine Lo (slika 1). To lahko predstavimo na naslednji način:

DL = aLoDT

kjer je α koeficient sorazmernosti, imenovan koeficient linearne ekspanzije in je značilen za vsak material. Nekatere vrednosti tega koeficienta so prikazane v tabeli A.

Koeficient linearne ekspanzije je večji za materiale, ki doživljajo večjo ekspanzijo za vsako stopnjo Celzija, ki dvigne svojo temperaturo.

Površinska dilatacija

Če je ravnina znotraj trdnega telesa, tako da je ta ravnina tista, ki je podvržena toplotnemu raztezanju (slika 2), je sprememba površine AA podana z:

DA = 2aA0

kjer je ΔA sprememba začetnega območja Ao, T je sprememba temperature in α koeficient linearne ekspanzije,.

Prostorninska dilatacija

Tako kot v prejšnjih primerih se lahko sprememba volumna ΔV približa razmerju (slika 3). Ta enačba je običajno napisana takole:

DV = bVoDT

kjer je β koeficient prostorninske ekspanzije in je približno enak 3α Λα τα ßλα 2, so prikazane vrednosti koeficientov volumetrične ekspanzije za nekatere materiale..

Na splošno se bodo snovi povečale s povišanjem temperature, voda pa je najpomembnejša izjema od tega pravila. Voda se širi, ko se temperatura poveča, ko je višja od 4 ° C.

Vendar pa se širi tudi po znižanju temperature v območju od 4 ° C do 0 ° C. Ta učinek je mogoče opaziti, ko se voda vloži v hladilnik, voda se razširi pri zamrzovanju in je s to ekspanzijo težko izvleči led iz posode..

Primeri

Razlike v volumetrični dilataciji lahko povzročijo zanimive učinke na bencinski črpalki. Primer je kapljanje bencina v rezervoarju, ki je bil pravkar napolnjen v vročem dnevu.

Bencin hladi jekleni rezervoar, ko se vlije, in tako bencin kot rezervoar se raztezata s temperaturo okoliškega zraka. Vendar pa se bencin razširi veliko hitreje kot jeklo in tako izloči iz rezervoarja.

Razlika v raztezanju med bencinom in rezervoarjem, ki ga vsebuje, lahko povzroči težave pri branju indikatorja nivoja goriva. Količina bencina (mase), ki ostane v rezervoarju, ko indikator doseže raven vakuuma, je poleti veliko nižja kot pozimi.

Bencin ima enako prostornino na obeh postajah, ko se prižge opozorilna lučka, ker pa se poleti polni bencina, ima manjšo maso.

Kot primer se lahko šteje za polno jekleni rezervoar za bencin, s kapaciteto 60L. Če je temperatura rezervoarja in bencina 15 ° C, koliko plina se bo razlilo, ko bodo dosegli temperaturo 35 ° C?

Rezervoar in bencin se bosta povečala zaradi povečanja temperature, vendar se bo bencin povečal bolj kot rezervoar. Torej bo razlitje bencina razlika med vašimi spremembami glasnosti. Enačba za prostorninsko ekspanzijo se lahko nato uporabi za izračun sprememb obsega:

Količina, ki se je povečala s povečanjem temperature, je potem:

Če združimo te tri enačbe v eni, imamo:

Iz tabele 2 dobimo vrednosti koeficienta volumetrične širitve, ki nadomestijo vrednosti:

Čeprav je ta količina razlitega plina relativno majhna v primerjavi s 60-litrskim rezervoarjem, je učinek presenetljiv, saj se bencin in jeklo zelo hitro širijo..

Bibliografija

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Termalna ekspanzija trdnih snovi ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Fizika trdne snovi: uvod v principe znanosti o materialih Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Fizika, zvezek 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elementi klasične fizike Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Toplota in termodinamika. Uvodnik Aguilar, 1979.