Kas ir tilpuma paplašināšanās? (Ar piemēriem)

Tilpuma dilatācija ir fiziska parādība, kas nozīmē izmaiņas trīs ķermeņa dimensijās. Vairumam vielu tilpums vai izmēri palielinās karstumā; Šī ir parādība, kas pazīstama kā termiskā izplešanās, tomēr ir arī vielas, kas silda.

Lai gan cieto vielu tilpuma izmaiņas ir salīdzinoši nelielas, tām ir liela tehniskā nozīme, galvenokārt situācijās, kad vēlams apvienot materiālus, kas paplašinās citādā veidā..

Dažu cietvielu forma ir karsēta un var izvērsties dažos virzienos un noslēgties citos. Tomēr, ja noteiktā dimensiju skaita palielināšanās ir tikai paplašināšanās, ir šāds paplašinājums:

• Lineāra dilatācija notiek, ja dominē izmaiņas konkrētā dimensijā, piemēram, ķermeņa garums, platums vai augstums.
• Virspusēja paplašināšanās ir tāda, kur dominē divu trīs dimensiju atšķirības.
• Visbeidzot, tilpuma paplašināšanās nozīmē izmaiņas trīs ķermeņa dimensijās.

Indekss

• 1 Termiskās izplešanās pamatjēdzieni
  • 1.1. Siltumenerģija
  • 1.2 Siltums
  • 1.3 Temperatūra
• 2 Kādas ir termiskās izplešanās pamatīpašības?
• 3 Kāds ir termiskās izplešanās pamatcēlonis?
  • 3.1. Lineārā paplašināšana
  • 3.2 Virsmas dilatācija
  • 3.3. Tilpuma paplašināšanās
• 4 Piemēri
• 5 Bibliogrāfija

Termiskās izplešanās pamatjēdzieni

Siltumenerģija

Materiāls sastāv no atomiem, kas ir nepārtraukti kustīgi vai kustīgi vai vibrējoši. Kinetisko enerģiju (vai kustību), ar ko atomi pārvietojas, sauc par siltumenerģiju, jo ātrāk tie pārvietojas, jo vairāk siltuma enerģijas viņiem ir.

Siltums

Siltums ir siltumenerģija, kas makroskopiskā mērogā nodota starp divām vai vairākām vielām vai no vienas vielas uz citu. Tas nozīmē, ka karsts ķermenis var atteikties no savas siltumenerģijas daļas un ietekmēt tai tuvu ķermeni.

Pārsūtītās siltumenerģijas daudzums ir atkarīgs no tuvumā esošā ķermeņa un no tā atdalošā vides.

Temperatūra

Temperatūras jēdziens ir būtisks, lai izpētītu siltuma ietekmi, ķermeņa temperatūra ir tās spējas pārnest siltumu uz citām struktūrām..

Divi ķermeņi, kas ir savstarpēji saskarē vai atdalīti ar piemērotu vidi (siltuma vads), būs tādā pašā temperatūrā, ja starp tām nebūs siltuma plūsmas. Līdzīgi ķermenis X atradīsies temperatūrā, kas ir lielāka par ķermeņa temperatūru un ja siltums plūst no X uz Y.

Kādas ir termiskās izplešanās pamatīpašības?

Tas ir acīmredzami saistīts ar temperatūras izmaiņām, jo ​​augstāka temperatūra, jo lielāks ir izplešanās. Tas ir atkarīgs arī no materiāla iekšējās struktūras, termometrā, dzīvsudraba paplašināšanās ir daudz lielāka nekā tā stikla paplašināšanās, kas satur to..

Kāds ir termiskās izplešanās pamatcēlonis?

Temperatūras palielināšanās nozīmē vielas atsevišķu atomu kinētiskās enerģijas palielināšanos. Cietā, atšķirībā no gāzes, atomi vai molekulas ir cieši kopā, bet to kinētiskā enerģija (mazu un strauju vibrāciju veidā) atomas vai molekulas atdala viena no otras.

Šāda starpība starp kaimiņu atomiem kļūst arvien lielāka, un tā rezultātā palielinās cietā masa.

Lielākajai daļai vielu parastos apstākļos nav vēlamā virziena, kādā notiek termiskā izplešanās, un temperatūras palielināšanās palielinās cietā materiāla lielumu par noteiktu daļu katrā dimensijā..

Lineāra dilatācija

Vienkāršākais dilatācijas piemērs ir paplašināšanās vienā dimensijā (lineārā). Eksperimentāli konstatēts, ka vielas garuma ΔL izmaiņas ir proporcionālas temperatūras ΔT un sākotnējā garuma Lo izmaiņām (1. attēls). Mēs to varam pārstāvēt šādi:

DL = aLoDT

kur α ir proporcionalitātes koeficients, ko sauc par lineāro izplešanās koeficientu un ir raksturīgs katram materiālam. Dažas šī koeficienta vērtības ir norādītas A tabulā.

Lineārā izplešanās koeficients ir lielāks materiāliem, kam ir lielāka paplašināšanās katram grādam, kas paaugstina tās temperatūru.

Virsmas dilatācija

Ja plakne tiek uzņemta cietā korpusā, tā, ka šī plakne ir tā, kas iziet siltuma izplešanās (2. attēls), izmaiņas apgabalā ΔA aprēķina:

DA = 2aA0

kur ΔA ir izmaiņas sākotnējā laukumā Ao, T ir temperatūras izmaiņas un α ir lineārās izplešanās koeficients.

Tilpuma paplašināšanās

Tāpat kā iepriekšējos gadījumos, tilpuma ΔV izmaiņas var tuvināt ar attiecībām (3. attēls). Šo vienādojumu parasti raksta šādi:

DV = bVoDT

kur β ir tilpuma izplešanās koeficients un tas ir aptuveni vienāds ar 3α Λα τα ßλα 2, tiek parādīti dažu materiālu tilpuma izplešanās koeficientu vērtības..

Kopumā, paaugstinoties temperatūrai, vielas pieaugs, ūdens ir vissvarīgākais izņēmums no šī noteikuma. Ūdens palielinās, kad temperatūra paaugstinās, ja tā ir augstāka par 4 ° C.

Tomēr tas arī paplašinās, samazinot temperatūru diapazonā no 4 ° C līdz 0 ° C. Šo efektu var novērot, kad ledusskapī ievieto ūdeni, saldēšanas laikā ūdens izplešas, un šo paplašināšanu ir grūti iegūt no konteinera..

Piemēri

Atšķirības tilpuma paplašināšanā var radīt interesantas sekas degvielas uzpildes stacijā. Piemērs ir benzīna piliens tvertnē, kas tikko piepildīta karstas dienas laikā.

Benzīns atdzesē tērauda tvertni, kad tas ir ielej, un gan benzīns, gan tvertne izplešas ar apkārtējā gaisa temperatūru. Tomēr benzīns izplešas daudz ātrāk nekā tērauds, un tādējādi tas izplūst no tvertnes.

Atšķirība starp benzīnu un tvertni, kas satur to, var radīt problēmas, nolasot degvielas līmeņa indikatoru. Tvertnē esošā benzīna (masas) daudzums, kad indikators sasniedz vakuuma līmeni, vasarā ir daudz mazāks nekā ziemā.

Benzīnam ir tāds pats tilpums abās stacijās, kad ieslēdzas brīdinājuma gaismas signāls, bet tāpēc, ka vasarā benzīns paplašinās, tam ir mazāks masas daudzums..

Piemēram, to var uzskatīt par pilnu tērauda benzīna tvertni ar jaudu 60L. Ja tvertnes un benzīna temperatūra ir 15ºC, cik daudz gāzes tiks izšļakstīta, sasniedzot 35 ° C temperatūru.?

Tvertne un benzīns palielinās apjoma dēļ temperatūras pieauguma, bet benzīns palielinās vairāk nekā tvertne. Tātad izplūdušais benzīns būs atšķirība no jūsu apjoma izmaiņām. Pēc tam var izmantot tilpuma paplašināšanas vienādojumu, lai aprēķinātu apjoma izmaiņas:

Temperatūras palielināšanās rezultātā izlijis tilpums:

Apvienojot šos trīs vienādojumus vienā, mums ir:

No 2. tabulas tiek iegūtas tilpuma palielinājuma koeficienta vērtības, aizstājot vērtības:

Lai gan šis izplūdušo gāzu daudzums ir salīdzinoši nenozīmīgs salīdzinājumā ar 60 litru tvertni, efekts ir pārsteidzošs, jo benzīns un tērauds izplešas ļoti ātri.

Bibliogrāfija

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Cietvielu termiskā paplašināšana ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth cietvielu fizika: ievads materiālu zinātnes principos Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, 1. sējums. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Klasiskās fizikas elementi Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Siltums un termodinamika. Editorial Aguilar, 1979.