Какво е обемно разширение? (С примери)



Обемното разширение е физическо явление, което предполага промяна в трите измерения на тялото. Обемът или размерите на повечето вещества се увеличават, когато са подложени на топлина; Това е явление, известно като термично разширение, но има и вещества, които се свиват при нагряване.

Въпреки че промените в обема са относително малки за твърди вещества, те са от голямо техническо значение, главно в ситуации, в които е желателно да се присъединят материали, които се разширяват по различен начин..

Формата на някои твърди вещества страда от изкривяване при нагряване и може да се разшири в някои посоки и да се свие в други. Въпреки това, когато има само разширение в определен брой измерения, има класификация за такива разширения:

  • Линейното разширение се появява, когато преобладават вариации в дадено измерение, като дължина, ширина или височина на тялото.
  • Повърхностната дилатация е тази, при която преобладават вариациите в две от трите измерения.
  • И накрая, обемното разширение предполага промяна в трите измерения на тялото.

индекс

  • 1 Основни понятия, свързани с топлинното разширение
    • 1.1 Термична енергия
    • 1.2 Топлина
    • 1.3 Температура
  • 2 Какви са основните свойства на термичното разширение?
  • 3 Каква е основната причина за топлинно разширение?
    • 3.1 Линейно разширение
    • 3.2 Дилатация на повърхността
    • 3.3 Обемна дилатация
  • 4 Примери
  • 5 Библиография

Основни понятия, свързани с термичното разширение

Топлинна енергия

Материята се състои от атоми, които са в непрекъснато движение, движещи се или вибриращи. Кинетичната енергия (или движение), с която атомите се движат, се нарича топлинна енергия, колкото по-бързо се движат, толкова повече топлинна енергия притежават.

топлина

Топлината е топлинната енергия, прехвърлена между две или повече вещества или от едно вещество на друго в макроскопичен мащаб. Това означава, че горещото тяло може да се откаже от част от своята топлинна енергия и да повлияе на тялото в близост до него.

Количеството прехвърлена топлинна енергия зависи от естеството на близкото тяло и от средата, която ги разделя.

температура

Концепцията за температурата е фундаментална за изучаване на въздействието на топлината, а температурата на тялото е мярка за способността му да пренася топлина към други тела.

Две тела в взаимен контакт или разделени от подходяща среда (топлопроводник) ще бъдат при същата температура, ако между тях няма топлинен поток. По същия начин, тяло X ще бъде намерено при температура по-голяма от тази на тялото и ако топлината тече от X на Y.

Какви са основните свойства на термичното разширение?

Тя е ясно свързана с промяна на температурата, колкото по-висока е температурата, толкова по-голямо е разширяването. Тя също зависи от вътрешната структура на материала, в термометър, разширяването на живака е много по-голямо от разширяването на стъклото, което го съдържа..

Какво е основната причина за топлинно разширение?

Повишаването на температурата предполага увеличаване на кинетичната енергия на отделните атоми в веществото. В твърдо, за разлика от газ, атомите или молекулите са тясно свързани, но тяхната кинетична енергия (под формата на малки и бързи вибрации) отделя атоми или молекули един от друг..

Това разделяне между съседни атоми става все по-голямо и води до увеличаване на размера на твърдото вещество.

За повечето вещества при обикновени условия няма предпочитана посока, в която се появява термично разширение, а повишаването на температурата ще увеличи размера на твърдото вещество с определена фракция във всяко измерение..

Линейна дилатация

Най-простият пример за дилатация е разширяването в едно измерение (линейно). Експериментално е установено, че промяната в дължината ΔL на дадено вещество е пропорционална на промяната в температурата ΔT и началната дължина Lo (фигура 1). Можем да представим това по следния начин:

DL = aLoDT

където α е коефициент на пропорционалност, наречен коефициент на линейно разширение и е характерен за всеки материал. Някои стойности на този коефициент са показани в таблица А.

Коефициентът на линейно разширение е по-голям за материали, които изпитват по-голямо разширение за всеки градус по Целзий, което повишава неговата температура.

Повърхностна дилатация

Когато една равнина е взета вътре в твърдо тяло, така че тази равнина е тази, която претърпява термичното разширение (Фигура 2), промяната в площта А се дава чрез:

DA = 2aA0

където ΔA е промяната в началната област Ao, T е промяната в температурата и α е коефициентът на линейно разширение;.

Обемна дилатация

Както и в предишните случаи, промяната в обема ΔV може да се сближи със съотношението (Фигура 3). Това уравнение обикновено се пише по следния начин:

DV = bVoDT

където β е коефициентът на обемно разширение и е приблизително равен на 3α Λα τα ßλα 2, са показани стойностите на коефициентите на обемното разширение за някои материали..

Като цяло веществата ще се разширяват при повишаване на температурата, а водата е най-важното изключение от това правило. Водата се разширява, когато температурата се повиши, когато е по-висока от 4ºC.

Той също така се разширява при понижаване на температурата му в границите от 4 ° С до 0 ° С. Този ефект може да се наблюдава, когато водата се поставя в хладилник, водата се разширява при замразяване и е трудно да се извлече ледът от неговия контейнер чрез това разширение..

Примери

Разликите в обемното разширение могат да доведат до интересни ефекти в бензиностанция. Пример за това е капенето на бензин в резервоар, който току-що е бил напълнен по време на горещ ден.

Бензинът охлажда стоманения резервоар, когато се излива, а бензинът и резервоарът се разширяват с температурата на околния въздух. Въпреки това, бензинът се разширява много по-бързо от стоманата и по този начин изтича от резервоара.

Разликата в разстоянието между бензина и резервоара, която го съдържа, може да причини проблеми при отчитане на индикатора за нивото на горивото. Количеството бензин (маса), оставено в резервоара, когато индикаторът достигне ниво на вакуум е много по-ниско през лятото, отколкото през зимата.

Бензинът има същия обем и на двете станции, когато светне предупредителната светлина, но тъй като бензинът се разширява през лятото, той има по-ниска маса.

Като пример, той може да се счита за резервоар за пълна стомана с капацитет от 60 литра. Ако температурата на резервоара и бензина е 15ºC, колко газ ще се разлее, когато достигнат температура от 35ºC?

Резервоарът и бензинът ще се увеличат в обем поради увеличаването на температурата, но бензинът ще се увеличи повече от резервоара. И така, разливаният бензин ще бъде разликата между промените в обема ви. Уравнението за обемно разширение може да се използва за изчисляване на промените в обема:

Обемът, разливан от повишаването на температурата, е след това:

Комбинирайки тези 3 уравнения в едно, имаме:

От таблица 2 са получени стойностите на коефициента на обемно разширение, замествайки стойностите:

Въпреки че количеството разлив газ е сравнително незначително в сравнение с резервоар от 60 л, ефектът е изненадващ, тъй като бензинът и стоманата се разширяват много бързо.

библиография

  1. Йен Хо Чо, Тейлър Р. Термично разширяване на твърдото тяло ASM International, 1998.
  2. Х. Ибах, Ханс Лют Физика на твърдо тяло: Въведение в принципите на материалознанието Спрингер Наука и бизнес медии, 2003.
  3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Физика, том 1. Wiley, 2001.
  4. Мартин К. Мартин, Чарлз А. Хюет Елементи на класическата физика Elsevier, 2013.
  5. Земански Марк В. Топлина и термодинамика. Редакция Агилар, 1979.