Dylatacja termiczna: współczynnik, typy i ćwiczenia
Rozszerzalność cieplna to wzrost lub zmiana różnych wymiarów metrycznych (takich jak długość lub objętość) doznawanych przez ciało lub obiekt fizyczny. Proces ten następuje ze względu na wzrost temperatury otaczającej materiał. W przypadku dylatacji liniowej zmiany te występują w jednym wymiarze.
Współczynnik tej rozszerzalności można zmierzyć przez porównanie wartości ilości przed i po procesie. Niektóre materiały są przeciwne rozszerzalności cieplnej; to znaczy, staje się „negatywny”. Koncepcja ta sugeruje, że niektóre materiały ulegają skurczeniu pod wpływem pewnych temperatur.
Co do ciał stałych, liniowy współczynnik rozszerzania jest używany do opisania jego rozszerzenia. Z drugiej strony, objętościowy współczynnik rozszerzalności jest wykorzystywany dla cieczy do wykonywania obliczeń.
W przypadku skrystalizowanych ciał stałych, jeśli jest izometryczna, rozszerzenie będzie ogólne we wszystkich wymiarach kryształu. Jeśli nie jest izometryczny, można znaleźć różne współczynniki rozszerzalności wzdłuż kryształu i zmieni on jego rozmiar podczas zmiany temperatury.
Współczynnik rozszerzalności cieplnej
Współczynnik rozszerzalności cieplnej (Y) jest definiowany jako promień zmiany, przez który przechodzi materiał z powodu zmiany jego temperatury. Współczynnik ten jest reprezentowany przez symbol α dla ciał stałych i β dla cieczy i jest prowadzony przez Międzynarodowy System Jednostek.
Współczynniki rozszerzalności cieplnej zmieniają się, jeśli chodzi o ciało stałe, ciecz lub gaz. Każdy ma inną specyfikę.
Na przykład dylatacja bryły jest widoczna wzdłuż długości. Współczynnik objętości jest jednym z najbardziej podstawowych pod względem płynów, a zmiany są niezwykłe we wszystkich kierunkach; Ten współczynnik jest również używany przy obliczaniu rozszerzalności gazu.
Ujemna rozszerzalność cieplna
W niektórych materiałach występuje ujemna rozszerzalność cieplna, która zamiast zwiększać ich rozmiar w wysokich temperaturach, kurczy się z powodu niskich temperatur.
Ten typ rozszerzalności cieplnej jest zwykle widoczny w systemach otwartych, w których obserwuje się interakcje kierunkowe - jak w przypadku lodu lub związków złożonych - jak ma to miejsce w przypadku niektórych zeolitów, między innymi Cu2O.
Podobnie niektóre badania wykazały, że ujemna rozszerzalność cieplna występuje również w sieciach jednoskładnikowych w postaci zwartej i z oddziaływaniem siły centralnej.
Wyraźny przykład ujemnej rozszerzalności cieplnej można zaobserwować, dodając lód do szklanki wody. W tym przypadku wysoka temperatura cieczy na lodzie nie powoduje wzrostu rozmiaru, ale raczej zmniejsza jej rozmiar.
Typy
Przy obliczaniu rozszerzenia obiektu fizycznego należy wziąć pod uwagę, że w zależności od zmiany temperatury wspomniany obiekt może zwiększyć lub zmniejszyć swój rozmiar.
Niektóre obiekty nie wymagają drastycznej zmiany temperatury, aby zmodyfikować ich rozmiar, więc jest prawdopodobne, że wartość rzucona przez obliczenia jest średnia.
Podobnie jak wszystkie procesy, rozszerzalność termiczna jest podzielona na kilka typów, które wyjaśniają każde zjawisko oddzielnie. W przypadku ciał stałych, rodzaje rozszerzalności cieplnej to dylatacja liniowa, rozszerzenie objętościowe i rozszerzenie powierzchni.
Dylatacja liniowa
W dylatacji liniowej przeważa jedna zmienna. W tym przypadku jedyną jednostką podlegającą zmianie jest wysokość lub szerokość obiektu.
Łatwym sposobem obliczenia tego typu rozszerzenia jest porównanie wartości ilości przed zmianą temperatury z wartością ilości po zmianie temperatury.
Dylatacja objętościowa
W przypadku rozszerzenia objętościowego sposobem obliczenia jest porównanie objętości płynu przed zmianą temperatury z objętością płynu po zmianie temperatury. Wzór do obliczenia to:
Dylatacja powierzchni lub obszaru
W przypadku powierzchownego poszerzenia, wzrost powierzchni ciała lub obiektu obserwuje się, gdy następuje zmiana jego temperatury do 1 ° C.
Ta dylatacja działa na bryły. Jeśli masz również współczynnik liniowy, możesz zobaczyć, że rozmiar obiektu będzie dwa razy większy. Wzór do obliczenia to:
A f = A 0 [1 + YA (T f - T 0 )]
W tym wyrażeniu:
γ = współczynnik rozszerzalności powierzchniowej [° C-1]
A 0 = obszar początkowy
A f = obszar końcowy
T 0 = temperatura początkowa.
T f = temperatura końcowa
Różnica między rozszerzeniem obszaru a rozszerzeniem liniowym polega na tym, że w pierwszym występuje zmiana wzrostu obszaru obiektu, aw drugim zmiana dotyczy pomiaru pojedynczej jednostki (ponieważ może to być długość lub szerokość obiektu fizycznego).
Przykłady
Pierwsze ćwiczenie (rozszerzenie liniowe)
Szyny tworzące tor pociągu zbudowanego ze stali mają długość 1500 m. Jaka będzie długość w czasie, gdy temperatura sięga od 24 do 45 ° C?
Rozwiązanie
Dane:
L0 (długość początkowa) = 1500 m
L f (końcowa długość) =?
Do (temperatura początkowa) = 24 ° C
T f (temperatura końcowa) = 45 ° C
α (liniowy współczynnik rozszerzalności odpowiadający stali) = 11 x 10-6 ° C-1
Dane są zastępowane następującym wzorem:
Najpierw jednak musimy znać wartość różnicy temperatur, aby uwzględnić te dane w równaniu. Aby osiągnąć tę różnicę, odejmij najwyższą temperaturę od najniższej.
Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C
Po poznaniu tych informacji można użyć poprzedniej formuły:
Lf = 1500 m (1 + 21 ° C, 11 x 10-6 ° C-1)
Lf = 1500 m (1 + 2, 31 x 10-4)
Lf = 1500 m (1 000231)
Lf = 1500, 3465 m
Drugie ćwiczenie (powierzchowne rozszerzenie)
W liceum sprzedaż szkła ma powierzchnię 1, 4 m ^ 2, jeśli temperatura wynosi 21 ° C. Jaki będzie twój ostatni obszar, gdy temperatura wzrośnie do 35 ° C?
Rozwiązanie
Af = A0 [1 + (Tf - T0)]
Af = 1, 4 m2 [1] 204, 4 x 10-6]
Af = 1, 4 m2. 1, 0002044
Af = 140028616 m2
Dlaczego dochodzi do rozszerzenia?
Wszyscy wiedzą, że cały materiał składa się z różnych cząstek subatomowych. Zmieniając temperaturę, albo podnosząc, albo obniżając, atomy te rozpoczynają proces ruchu, który może zmienić kształt obiektu.
Gdy temperatura wzrasta, molekuły zaczynają gwałtownie poruszać się ze względu na wzrost energii kinetycznej, a zatem kształt lub objętość obiektu wzrośnie.
W przypadku ujemnych temperatur dzieje się odwrotnie, w tym przypadku objętość obiektu jest zwykle zmniejszana przez niskie temperatury.
