Czym jest rozszerzenie objętościowe? (Z przykładami)

Dylatacja objętościowa jest zjawiskiem fizycznym, które pociąga za sobą zmianę trzech wymiarów ciała. Objętość lub wymiary większości substancji zwiększają się pod wpływem ciepła; Jest to zjawisko znane jako rozszerzalność cieplna, jednak istnieją również substancje, które kurczą się po podgrzaniu.

Chociaż zmiany objętości są stosunkowo niewielkie dla ciał stałych, mają one duże znaczenie techniczne, głównie w sytuacjach, w których pożądane jest łączenie materiałów, które rozszerzają się w inny sposób.

Kształt niektórych ciał stałych ulega zniekształceniu po podgrzaniu i może rozszerzać się w niektórych kierunkach i kurczić się w innych. Jednakże, gdy istnieje tylko rozszerzenie w pewnej liczbie wymiarów, istnieje klasyfikacja dla takich rozszerzeń:

• Dylatacja liniowa występuje, gdy przeważają zmiany w określonym wymiarze, takie jak długość, szerokość lub wysokość ciała.
• Powierzchniowe rozszerzenie jest tym, w którym przeważa zmienność w dwóch z trzech wymiarów.
• Wreszcie, rozszerzenie objętościowe oznacza zmianę trzech wymiarów ciała.

Podstawowe pojęcia związane z rozszerzalnością cieplną

Energia cieplna

Materia składa się z atomów, które są w ciągłym ruchu, poruszającym się lub wibrującym. Energia kinetyczna (lub ruch), z jaką poruszają się atomy, nazywana jest energią termiczną, im szybciej się poruszają, tym więcej energii cieplnej posiadają.

Ciepło

Ciepło to energia cieplna przenoszona między dwiema lub więcej substancjami lub od jednej substancji do drugiej w skali makroskopowej. Oznacza to, że gorące ciało może oddać część swojej energii cieplnej i wpływać na ciało znajdujące się blisko niego.

Ilość przekazywanej energii cieplnej zależy od natury pobliskiego ciała i oddzielającego je medium.

Temperatura

Pojęcie temperatury ma zasadnicze znaczenie dla badania efektów cieplnych, temperatura ciała jest miarą jego zdolności do przekazywania ciepła do innych ciał.

Dwa ciała we wzajemnym kontakcie lub oddzielone odpowiednim medium (przewodnikiem ciepła) będą w tej samej temperaturze, jeśli między nimi nie będzie przepływu ciepła. Podobnie, ciało X zostanie znalezione w temperaturze wyższej niż temperatura ciała Y, jeśli ciepło przepływa od X do Y.

Jakie są podstawowe właściwości rozszerzalności cieplnej?

Jest to wyraźnie związane ze zmianą temperatury, im wyższa temperatura, tym większa ekspansja. Zależy to również od wewnętrznej struktury materiału, w termometrze ekspansja rtęci jest znacznie większa niż ekspansja szkła, które ją zawiera.

Jaka jest podstawowa przyczyna rozszerzalności cieplnej?

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

To rozdzielenie sąsiednich atomów staje się coraz większe i powoduje wzrost wielkości ciała stałego.

Dla większości substancji w zwykłych warunkach nie ma preferowanego kierunku, w którym występuje rozszerzalność cieplna, a zwiększenie temperatury zwiększy rozmiar ciała stałego o pewną frakcję w każdym wymiarze.

Dylatacja liniowa

Najprostszym przykładem rozszerzenia jest rozszerzenie w jednym wymiarze (liniowym). Eksperymentalnie stwierdzono, że zmiana długości ΔL substancji jest proporcjonalna do zmiany temperatury ΔT i początkowej długości Lo (rysunek 1). Możemy to przedstawić w następujący sposób:

DL = aLoDT

gdzie α jest współczynnikiem proporcjonalności zwanym współczynnikiem rozszerzalności liniowej i jest charakterystyczne dla każdego materiału. Niektóre wartości tego współczynnika przedstawiono w tabeli A.

Współczynnik rozszerzalności liniowej jest większy w przypadku materiałów, które wykazują większą ekspansję na każdy stopień Celsjusza, że ​​ich temperatura wzrasta.

Dylatacja powierzchni

Gdy płaszczyzna jest wzięta do ciała stałego, tak że ta płaszczyzna podlega rozszerzalności cieplnej (Rysunek 2), zmiana w obszarze ΔA jest dana przez:

DA = 2aA0

gdzie ΔA jest zmianą w obszarze początkowym Ao, T oznacza zmianę temperatury, a α jest współczynnikiem rozszerzalności liniowej.

Dylatacja objętościowa

Podobnie jak w poprzednich przypadkach, zmiana objętości VV może być aproksymowana relacją (Rysunek 3). To równanie jest zwykle napisane w następujący sposób:

DV = bVoDT

gdzie β jest współczynnikiem rozszerzalności objętościowej i jest w przybliżeniu równe 3α Λα τα ßλα 2, pokazano wartości współczynników rozszerzalności objętościowej dla niektórych materiałów.

Ogólnie rzecz biorąc, substancje rozszerzają się pod wpływem wzrostu temperatury, woda jest najważniejszym wyjątkiem od tej reguły. Woda rozszerza się, gdy jej temperatura wzrasta, gdy jest wyższa niż 4 ° C.

Jednak rozszerza się on również po obniżeniu temperatury w zakresie od 4 ° C do 0 ° C. Efekt ten można zaobserwować, gdy wodę umieszcza się w lodówce, woda rozszerza się podczas zamrażania i trudno jest wyekstrahować lód z pojemnika przez to rozszerzenie.

Przykłady

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

Benzyna chłodzi stalowy zbiornik, gdy jest nalewany, a zarówno benzyna, jak i zbiornik rozszerzają się wraz z temperaturą otaczającego powietrza. Jednak benzyna rozszerza się znacznie szybciej niż stal, a zatem kapie ze zbiornika.

Różnica w ekspansji pomiędzy benzyną a zbiornikiem, który ją zawiera, może powodować problemy podczas odczytu wskaźnika poziomu paliwa. Ilość benzyny (masy) pozostawionej w zbiorniku, gdy wskaźnik osiągnie poziom próżni, jest znacznie niższa latem, niż zimą.

Benzyna ma taką samą objętość na obu stacjach, gdy zapala się lampka ostrzegawcza, ale ponieważ benzyna rozszerza się w lecie, ma mniejszą masę.

Jako przykład można uznać, że jest to stalowy zbiornik benzyny o pojemności 60 litrów. Jeśli temperatura zbiornika i benzyny wynosi 15 ° C, ile gazu rozleje się po osiągnięciu temperatury 35 ° C?

Pojemność zbiornika i benzyny wzrośnie z powodu wzrostu temperatury, ale benzyna wzrośnie bardziej niż zbiornik. Tak więc rozlana benzyna będzie różnicą zmian głośności. Równanie rozszerzalności objętościowej można następnie wykorzystać do obliczenia zmian objętości:

Wielkość rozlana przez wzrost temperatury wynosi wtedy:

Łącząc te 3 równania w jedno, mamy:

Z tabeli 2 otrzymuje się wartości współczynnika rozszerzenia objętości, zastępując wartości:

Chociaż ilość rozlanego gazu jest stosunkowo niewielka w porównaniu ze zbiornikiem 60 L, efekt jest zaskakujący, ponieważ benzyna i stal rozwijają się bardzo szybko.

Bibliografia

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Termiczna ekspansja Solids ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Fizyka ciała stałego: wprowadzenie do zasad nauk o materiałach Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, Tom 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elementy fizyki klasycznej Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Heat and Thermodynamics. Od redakcji Aguilar, 1979.