TOPLOTNA DILATACIJA: KOEFICIENT, VRSTE IN VAJE - FIZIČNO - 2026

Termičnega raztezanja se poveča ali spreminjanje različnih metričnih dimenzij (kot dolžino ali volumen), ki je podvržena fizični objekt ali organ. Ta postopek se zgodi zaradi zvišanja temperature, ki obdaja material. Pri linearni dilataciji se te spremembe zgodijo le v eni dimenziji.

Koeficient te širitve je mogoče izmeriti s primerjavo vrednosti magnitude pred postopkom in po njem. Nekateri materiali trpijo nasprotno od toplotne ekspanzije; to pomeni, da postane "negativno". Ta koncept predlaga, da se nekateri materiali strdijo, ko so izpostavljeni določenim temperaturam.

Toplotna ekspanzija v vodi

Za trdne snovi se za opis njihove širitve uporablja koeficient linearne ekspanzije. Po drugi strani pa se za tekočine za izračune uporablja volumetrični koeficient raztezanja.

V primeru kristaliziranih trdnih snovi, če je izometrična, bo ekspanzija splošna v vseh dimenzijah kristala. Če ni izometričen, lahko v celotnem kozarcu najdemo različne koeficiente razteznosti, ki pa bodo spremenili svojo velikost, ko se temperatura spremeni.

Koeficient toplotne dilatacije

Koeficient toplotne ekspanzije (Y) je opredeljen kot polmer spremembe, skozi katero je material prešel zaradi spremembe temperature. Ta koeficient predstavlja simbol α za trdne snovi in ​​β za tekočine, vodi pa ga Mednarodni sistem enot.

Koeficienti toplotne ekspanzije se razlikujejo, kadar gre za trdno snov, tekočino ali plin. Vsak ima drugačno posebnost.

Na primer, dilatacija trdne snovi lahko vidimo po dolžini. Volumetrični koeficient je eden najosnovnejših glede tekočin in spremembe so opazne v vseh smereh; Ta koeficient se uporablja tudi pri izračunu širitve plina.

Negativna toplotna ekspanzija

Negativna toplotna ekspanzija se pojavi pri nekaterih materialih, ki se namesto da bi se povečali v velikosti z visokimi temperaturami, zaradi nizkih temperatur strdijo.

Ta vrsta toplotne ekspanzije je ponavadi opaziti v odprtih sistemih, kjer je opaziti smerne interakcije - v primeru ledu - ali v kompleksnih spojinah - kot se zgodi z nekaterimi zeoliti, med drugim Cu2O.

Prav tako so nekatere raziskave pokazale, da se negativna toplotna ekspanzija pojavlja tudi v enokomponentnih rešetkah v kompaktni obliki in z medsebojno interakcijo sile.

Jasen primer negativne toplotne ekspanzije lahko vidimo, ko v kozarec vode dodamo led. V tem primeru visoka temperatura tekočine na ledu ne povzroči povečanja velikosti, temveč se zmanjša velikost ledu.

Vrste

Pri izračunu širitve fizičnega predmeta je treba upoštevati, da se lahko navedeni objekt, odvisno od spremembe temperature, poveča ali skrči v velikosti.

Nekateri predmeti ne potrebujejo drastične spremembe temperature, da bi spremenili svojo velikost, zato je verjetno vrednost, ki jo vrnejo izračuni, povprečna.

Kot vsak postopek je tudi toplotna ekspanzija razdeljena na več vrst, ki pojasnjujejo vsak pojav posebej. V primeru trdnih snovi so vrste toplotne ekspanzije linearna ekspanzija, volumetrična ekspanzija in površinska ekspanzija.

Linearna dilatacija

V linearni dilataciji prevladuje ena sama variacija. V tem primeru je edina enota, ki se spremeni, višina ali širina predmeta.

Enostaven način izračuna te vrste dilatacije je primerjava vrednosti magnitude pred spremembo temperature z vrednostjo magnitude po spremembi temperature.

Volumetrična dilatacija

Pri volumetrični ekspanziji lahko način izračuna izračunamo s primerjavo prostornine tekočine pred spremembo temperature z volumnom tekočine po spremembi temperature. Formula za izračun je:

Širitev površine ali površine

Pri površinski dilataciji opazimo povečanje površine telesa ali predmeta zaradi spremembe temperature na 1 ° C.

Ta ekspanzija deluje za trdne snovi. Če imamo tudi linearni koeficient, lahko vidimo, da bo velikost predmeta 2-krat večja. Formula za izračun je:

A _f = A ₀

V tem izrazu:

γ = koeficient širitve območja

A ₀ = začetno območje

A _f = Končno območje

T ₀ = začetna temperatura.

T _f = Končna temperatura

Razlika med dilatacijo območja in linearno dilatacijo je v tem, da v prvem opazite spremembo povečanja površine predmeta, v drugem pa je sprememba enotne mere (na primer dolžina oz. širina fizičnega predmeta).

Primeri

Prva vaja (linearna dilatacija)

Tirnice, ki sestavljajo tir vlaka iz jekla, imajo dolžino 1500 m. Kakšna bo dolžina zemlje, ko temperatura pade od 24 do 45 ° C?

Rešitev

Podatki:

Lο (začetna dolžina) = 1500 m

L _f (končna dolžina) =?

Tο (začetna temperatura) = 24 ° C

T _f (končna temperatura) = 45 ° C

α (koeficient linearne ekspanzije, ki ustreza jeklu) = 11 x 10 ^-6 ° C ^-1

Podatki so nadomeščeni z naslednjo formulo:

Vendar morate najprej poznati vrednost temperaturne razlike, da vključite te podatke v enačbo. Za dosego te razlike je treba odšteti najvišjo temperaturo od najnižje.

Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C

Ko so te informacije znane, je mogoče uporabiti prejšnjo formulo:

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

Druga vaja (površinska dilatacija)

V srednji šoli ima steklarna površino 1,4 m ^ 2, če je temperatura 21 ° C. Kakšno bo končno območje, ko se temperatura poveča na 35 ° C?

Rešitev

Af = A0

Af = 1,4 m ² 204,4 x 10 ^-6 ]

Af = 1,4 m ² . 1.0002044

Af = 1.40028616 m ²

Zakaj se zgodi dilatacija?

Vsi vemo, da je ves material sestavljen iz različnih subatomskih delcev. S spreminjanjem temperature, bodisi zvišanjem bodisi zniževanjem, ti atomi začnejo postopek gibanja, ki lahko spremeni obliko predmeta.

Ko se temperatura dvigne, se molekule zaradi povečanja kinetične energije začnejo hitro premikati in tako se bosta oblika ali volumen predmeta povečala.

Pri negativnih temperaturah se zgodi ravno obratno, v tem primeru se prostornina predmeta zaradi nizkih temperatur zmanjša.

Reference

1. Linearna, površinska in volumetrična dilatacija - vaje. Razrešeno Pridobljeno 8. maja 2018, od podjetja Fisimat: fisimat.com.mx
2. Površna dilatacija - rešene vaje. Pridobljeno 8. maja 2018, iz podjetja Fisimat: fisimat.com.mx
3. Toplotno raztezanje. Pridobljeno 8. maja 2018, iz Encyclopædia Britannica: britannica.com
4. Toplotno raztezanje. Pridobljeno 8. maja 2018, iz Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Toplotno raztezanje. Pridobljeno 8. maja 2018, iz programa Lumen Learning: groups.lumenlearning.com
6. Toplotno raztezanje. Pridobljeno 8. maja 2018 iz Hypertextbook-a za fiziko: physics.info
7. Toplotno raztezanje. Pridobljeno 8. maja 2018 iz Wikipedije: en.wikipedia.org.