KAJ JE VOLUMETRIČNA DILATACIJA? (S PRIMERI) - FIZIČNO - 2025

Povečanje volumna je fizični fenomen, ki vključuje spremembo treh dimenzijah telesa. Količina ali dimenzije večine snovi se povečajo, ko so izpostavljene toploti; To je pojav, znan kot toplotna ekspanzija, vendar obstajajo tudi snovi, ki se ob segrevanju strdijo.

Čeprav so spremembe trdnosti za trdne snovi razmeroma majhne, ​​so velikega tehničnega pomena, zlasti v primerih, ko je zaželeno, da se materiali, ki se različno širijo, združijo.

Oblika nekaterih trdnih snovi se pri segrevanju izkrivlja in se lahko v nekaterih smereh razširi in v drugih strdi. Ko pa je dilatacija le v določenem številu dimenzij, obstaja takšna razširitev:

• Linearna dilatacija se pojavi, kadar prevladujejo variacije v določeni dimenziji, kot so dolžina, širina ali višina telesa.
• Površinska dilatacija je tista, kjer prevladuje variacija dveh od treh dimenzij.
• Končno volumetrična dilatacija spreminja tri dimenzije telesa.

Osnovni pojmi, povezani s toplotno ekspanzijo

Termalna energija

Vsebino sestavljajo atomi, ki so v neprekinjenem gibanju, bodisi premikajoči se ali vibrirajo. Kinetična (ali gibalna) energija, s katero se atomi premikajo, se imenuje toplotna energija, hitreje se gibljejo, več toplotne energije imajo.

Vroče

Toplota je toplotna energija, ki se v makroskopskem merilu prenaša med dvema ali več snovmi ali z enega dela snovi na drugega. To pomeni, da se lahko vroče telo odreče delu svoje toplotne energije in vpliva na telo, ki je blizu.

Količina prenesene toplotne energije je odvisna od narave bližnjega telesa in okolja, ki jih ločuje.

Temperatura

Koncept temperature je ključnega pomena za preučevanje vplivov toplote, temperatura telesa je merilo njegove sposobnosti prenosa toplote na druga telesa.

Dve telesi, ki sta v medsebojnem stiku ali ločeni s primernim medijem (toplotnim prevodnikom), bosta pri isti temperaturi, če med njima ni toplotnega toka. Podobno bo telo X pri višji temperaturi kot telo Y, če toplota teče iz X v Y.

Katere so osnovne lastnosti toplotnega raztezanja?

Jasno je povezano s spremembo temperature, višja je temperatura, večja je širitev. Odvisno je tudi od notranje strukture materiala, v termometru je širitev živega srebra veliko večja od širitve kozarca, ki ga vsebuje.

Kaj je temeljni vzrok toplotne ekspanzije?

Povišanje temperature pomeni povečanje kinetične energije posameznih atomov v snovi. V trdni snovi so za razliko od plina atomi ali molekule tesno skupaj, vendar njihova kinetična energija (v obliki majhnih hitrih vibracij) ločuje atome ali molekule drug od drugega.

Ta ločitev med sosednjimi atomi postane večja in večja in povzroči povečanje velikosti trdne snovi.

Za večino snovi v običajnih pogojih ni prednostne smeri, v kateri se pojavi toplotna ekspanzija, in zvišanje temperature poveča velikost trdne snovi za določen del v vsaki dimenziji.

Linearna dilatacija

Najenostavnejši primer dilatacije je ekspanzija v eni (linearni) dimenziji. Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da je sprememba dolžine ΔL snovi sorazmerna s spremembo temperature ΔT in začetne dolžine Lo (slika 1). To lahko predstavljamo na naslednji način:

DL = aLoDT

kjer je α koeficient sorazmernosti, imenovan koeficient linearne ekspanzije in je značilen za vsak material. Nekatere vrednosti tega koeficienta so prikazane v tabeli A.

Koeficient linearne ekspanzije je višji za materiale, ki doživljajo večje širitve za vsako stopinjo Celzija, če njihova temperatura narašča.

Površna dilatacija

Ko vzamemo ravnino znotraj trdnega telesa, tako da je ta ravnina tista, ki se podvrže toplotni ekspanziji (slika 2), se sprememba površine ΔA poda z:

DA = 2aA0

kjer je ΔA sprememba začetnega območja Ao, T sprememba temperature in α koeficient linearne ekspanzije.

Volumetrična dilatacija

Kot v prejšnjih primerih se lahko sprememba prostornine ΔV približa razmerju (slika 3). Ta enačba se običajno zapiše na naslednji način:

DV = bVoDT

kjer je β koeficient volumetrične ekspanzije in je približno enak 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, so prikazane vrednosti volumetričnih ekspanzijskih koeficientov za nekatere materiale.

Na splošno se snovi s povečanjem temperature širijo, voda je najpomembnejša izjema od tega pravila. Voda se širi, ko se njena temperatura poveča, ko je višja od 4 ° C.

Vendar pa se širi tudi, ko se njegova temperatura zniža v območju od 4 ° C do 0 ° C. Ta učinek lahko opazimo, ko vodo damo v hladilnik, voda se razširi, ko zmrzne in je zaradi te širitve težko odstraniti led iz njegove posode.

Primeri

Razlike v volumetrični ekspanziji lahko na bencinski postaji privedejo do zanimivih učinkov. Primer je bencin, ki kaplja v rezervoar, ki je bil pravkar napolnjen v vročem dnevu.

Bencin hladi jekleni rezervoar, ko ga nalijemo, bencin in rezervoar pa se razširita s temperaturo okoliškega zraka. Vendar se bencin širi veliko hitreje kot jeklo, zaradi česar izteka iz rezervoarja.

Razlika v razteznosti med bencinom in rezervoarjem, ki ga vsebuje, lahko povzroči težave pri odčitavanju merilnika nivoja goriva. Količina bencina (mase), ki ostane v rezervoarju, ko merilnik doseže prazen, je poleti precej manjši kot pozimi.

Bencin ima enako glasnost na obeh postajah, ko se prižge opozorilna lučka, a ker se poleti bencin razširi, ima manjšo maso.

Kot primer si lahko ogledate polni jekleni rezervoar za plin, prostornina 60L. Če je temperatura rezervoarja in bencina 15 ° C, koliko bencina se bo razlilo, ko doseže temperaturo 35 ° C?

Rezervoar in bencin se bosta zaradi povečanja temperature povečala v prostornini, bencin pa se bo povečal več kot rezervoar. Tako bo razlita bencina razlika v spremembi vaše prostornine. Volumetrična ekspanzijska enačba se nato lahko uporabi za izračun sprememb prostornine:

Količina, ki se razlije s povečanjem temperature, je:

Če združimo te tri enačbe v eno, imamo:

Iz tabele 2 dobimo vrednosti koeficienta volumetričnega raztezanja, ki nadomeščajo vrednosti:

Čeprav je ta količina razlitega bencina v primerjavi s 60-litrskim rezervoarjem relativno nepomembna, je učinek presenetljiv, saj se bencin in jeklo zelo hitro razširita.

Bibliografija

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Termična ekspanzija trdnih snovi ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Trdna fizika trdnosti: Uvod v načela znanosti o materialih Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Fizika, letnik 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elementi klasične fizike Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Toplota in termodinamika. Uredništvo Aguilar, 1979.