Čo je objemová dilatácia? (S príkladmi)

Objemová dilatácia je fyzikálny jav, ktorý znamená odchýlku v troch rozmeroch tela. Objem alebo rozmery väčšiny látok sa zvyšujú pri vystavení teplu; Je to fenomén známy ako tepelná expanzia, avšak pri zahrievaní sa vyskytujú aj látky, ktoré sa stiahnu.

Hoci objemové zmeny sú pre tuhé látky relatívne malé, majú veľký technický význam, najmä v situáciách, keď je žiaduce spojiť materiály, ktoré expandujú iným spôsobom..

Tvar niektorých tuhých látok trpí skreslením pri zahrievaní a môže expandovať v niektorých smeroch a uzatvárať zmluvy v iných. Ak však existuje iba dilatácia v určitom počte dimenzií, existuje klasifikácia pre takéto rozšírenia:

• Lineárna dilatácia nastáva, keď prevláda zmena v určitom rozmere, ako je dĺžka, šírka alebo výška tela.
• Povrchová dilatácia je taká, že prevláda variácia v dvoch z troch dimenzií.
• Napokon, objemová dilatácia znamená odchýlku v troch rozmeroch tela.

index

• 1 Základné pojmy týkajúce sa tepelnej rozťažnosti
  • 1.1 Tepelná energia
  • 1.2 Teplo
  • 1.3 Teplota
• 2 Aké sú základné vlastnosti tepelnej rozťažnosti?
• 3 Aká je základná príčina tepelnej rozťažnosti?
  • 3.1 Lineárna expanzia
  • 3.2 Dilatácia povrchu
  • 3.3 Objemová dilatácia
• 4 Príklady
• 5 Bibliografia

Základné pojmy týkajúce sa tepelnej rozťažnosti

Tepelná energia

Hmota je tvorená atómami, ktoré sú v nepretržitom pohybe, buď v pohybe, alebo vibrujúcom. Kinetická energia (alebo pohyb), ktorou sa atómy pohybujú, sa nazýva tepelná energia, čím rýchlejšie sa pohybujú, tým viac tepelnej energie majú.

teplo

Teplo je tepelná energia prenášaná medzi dvoma alebo viacerými látkami alebo z jednej látky na druhú na makroskopickej úrovni. To znamená, že horúce telo sa môže vzdať časti svojej tepelnej energie a ovplyvniť telo v jeho blízkosti.

Množstvo prenesenej tepelnej energie závisí od povahy blízkeho tela a od média, ktoré ich oddeľuje.

teplota

Pojem teplota je základom pre štúdium účinkov tepla, teplota tela je mierou jeho schopnosti prenášať teplo do iných tiel..

Dva telieska vo vzájomnom kontakte alebo oddelené vhodným médiom (tepelným vodičom) budú mať rovnakú teplotu, ak medzi nimi nie je žiadny tok tepla. Podobne sa telo X nájde pri teplote vyššej ako je teplota telesa a ak teplo prúdi z X do Y.

Aké sú základné vlastnosti tepelnej rozťažnosti?

Jasne súvisí so zmenou teploty, čím vyššia je teplota, tým väčšia je expanzia. To tiež závisí od vnútornej štruktúry materiálu, v teplomere, expanzia ortuti je oveľa väčšia ako expanzia skla, ktoré ho obsahuje.

Čo je základnou príčinou tepelnej rozťažnosti?

Zvýšenie teploty znamená zvýšenie kinetickej energie jednotlivých atómov v látke. V pevnej látke, na rozdiel od plynu, sú atómy alebo molekuly úzko spolu, ale ich kinetická energia (vo forme malých a rýchlych vibrácií) oddeľuje atómy alebo molekuly od seba navzájom.

Táto separácia medzi susednými atómami sa stáva čoraz väčšou a vedie k zvýšeniu veľkosti pevnej látky.

Pre väčšinu látok za bežných podmienok nie je výhodný smer, v ktorom dochádza k tepelnej rozťažnosti a zvýšenie teploty zvýši veľkosť pevnej látky o určitý podiel v každom rozmere..

Lineárna dilatácia

Najjednoduchším príkladom dilatácie je expanzia v jednej dimenzii (lineárna). Experimentálne sa zistilo, že zmena dĺžky AL látky je úmerná zmene teploty AT a počiatočnej dĺžky Lo (obrázok 1). Toto môžeme reprezentovať nasledujúcim spôsobom:

DL = aLoDT

kde α je koeficient proporcionality nazývaný koeficient lineárnej expanzie a je charakteristický pre každý materiál. Niektoré hodnoty tohto koeficientu sú uvedené v tabuľke A.

Koeficient lineárnej expanzie je väčší pre materiály, ktoré vykazujú väčšiu expanziu pre každý stupeň Celsia, ktorý zvyšuje jeho teplotu.

Povrchová dilatácia

Ak je rovina vzatá do pevného telesa, takže táto rovina je taká, ktorá podlieha tepelnej rozťažnosti (obrázok 2), zmena plochy ΔA je daná vzťahom:

DA = 2aA0

kde ΔA je zmena v počiatočnej oblasti Ao, T je zmena teploty a α je koeficient lineárnej rozťažnosti.

Objemová dilatácia

Rovnako ako v predchádzajúcich prípadoch, zmena objemu AV môže byť aproximovaná vzťahom (obrázok 3). Táto rovnica sa zvyčajne zapisuje nasledovne:

DV = bVoDT

kde β je koeficient objemovej expanzie a je približne rovný 3α Λα τα ßλα 2 sú uvedené hodnoty koeficientov objemovej expanzie pre niektoré materiály.

Vo všeobecnosti sa látky budú zvyšovať pri zvyšovaní teploty, najdôležitejšou výnimkou z tohto pravidla je voda. Voda sa zvyšuje, keď sa jej teplota zvýši, keď je vyššia ako 4 ° C.

Pri znížení teploty v rozsahu od 4 ° C do 0 ° C sa však tiež expanduje. Tento účinok možno pozorovať, keď sa voda vloží do chladničky, voda sa pri zmrazovaní rozšíri a je ťažké extrahovať ľad z nádoby pomocou tejto expanzie..

Príklady

Rozdiely v objemovej dilatácii môžu viesť k zaujímavým efektom v čerpacej stanici. Príkladom je odkvapkávanie benzínu v nádrži, ktorá bola práve naplnená počas horúceho dňa.

Benzín ochladzuje oceľovú nádrž, keď sa naleje, a tak benzín, ako aj nádrž expandujú s teplotou okolitého vzduchu. Benzín sa však rozširuje oveľa rýchlejšie ako oceľ, a tak z nádrže odteká.

Rozdiel v expanzii medzi benzínom a nádržou, ktorá ho obsahuje, môže spôsobiť problémy pri čítaní ukazovateľa hladiny paliva. Množstvo benzínu (hmotnosť), ktoré zostalo v nádrži, keď indikátor dosiahne úroveň podtlaku, je v lete oveľa nižšie ako v zime.

Benzín má rovnaký objem na oboch staniciach, keď sa rozsvieti výstražné svetlo, ale pretože benzín sa počas leta rozširuje, má nižšiu hmotnosť.

Ako príklad možno považovať plnú oceľovú nádrž s kapacitou 60 l. Ak je teplota nádrže a benzínu 15 ºC, koľko plynu sa rozliatí, keď dosiahne teplotu 35 ºC?

Nádrž a benzín sa zvýšia v dôsledku zvýšenia teploty, ale benzín sa zvýši viac ako nádrž. Rozliaty benzín bude teda rozdiel vo vašich objemových zmenách. Na výpočet objemových zmien sa potom môže použiť rovnica objemovej expanzie:

Objem rozliatia zvýšením teploty je potom:

Kombináciou týchto 3 rovníc v jednom máme:

Z tabuľky 2 sa získajú hodnoty koeficientu objemovej expanzie, pričom sa nahradia hodnoty:

Aj keď je toto množstvo rozloženého plynu v porovnaní s nádržou s objemom 60 litrov relatívne zanedbateľné, účinok je prekvapujúci, pretože benzín a oceľ expandujú veľmi rýchlo.

bibliografia

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Tepelná expanzia Solids ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Fyzika v tuhých skupinách: Úvod do problematiky materiálových vied Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, zväzok 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Prvky klasickej fyziky Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Teplo a termodynamika. Editorial Aguilar, 1979.