Mi az a térfogati dilatáció? (Példákkal)



A térfogati dilatáció olyan fizikai jelenség, amely a test három dimenziójának változását jelenti. A legtöbb anyag térfogata vagy méretei növekednek hő hatására; Ez a jelenség termikus expanzió néven ismert, de vannak olyan anyagok is, amelyek hevítéskor szerződnek.

Bár a térfogatváltozások viszonylag kisek a szilárd anyagok esetében, nagy technikai jelentőséggel bírnak, főleg olyan helyzetekben, ahol más módon bővülő anyagokat kívánunk összekapcsolni..

Néhány szilárd anyag alakja torzul, ha felmelegszik, és bizonyos irányokban kitágulhat, és másokban is megállapodhat. Ha azonban csak néhány dimenzióban van tágulás, akkor az ilyen bővítések osztályozása:

  • A lineáris dilatáció akkor következik be, amikor egy adott dimenzió változása dominál, például a test hossza, szélessége vagy magassága.
  • A felületes dilatáció az, ahol a három dimenzió két változata dominál.
  • Végül a térfogati dilatáció a test három dimenziójának változását jelenti.

index

  • 1 A hőtágulással kapcsolatos alapfogalmak
    • 1.1 Hőenergia
    • 1.2 Hő
    • 1.3 Hőmérséklet
  • 2 Melyek a hőtágulás alapvető tulajdonságai?
  • 3 Mi a hőtágulás alapvető oka?
    • 3.1 Lineáris expanzió
    • 3.2 Felület dilatáció
    • 3.3 Térfogat-dilatáció
  • 4 Példák
  • 5 Irodalom

A hőtágulással kapcsolatos alapfogalmak

Hőenergia

Az anyag olyan atomokból áll, amelyek folyamatos mozgásban vannak, akár mozgó, akár rezgő. A kinetikus energiát (vagy mozgást), amellyel az atomok mozognak, hőenergiának nevezzük, annál gyorsabban mozognak, annál több hőenergiával rendelkeznek.

hőség

A hő az a hőenergia, amelyet két vagy több anyag vagy egy anyagról a másikra makroszkopikus skálán továbbítanak. Ez azt jelenti, hogy egy forró test teste lemondhat a hőenergia egy részéről, és befolyásolhatja a közelben lévő testet.

Az átadott hőenergia mennyisége a közeli test jellegétől és az őket elválasztó közegtől függ.

hőmérséklet

A hőmérséklet fogalma alapvetően fontos a hő hatásainak tanulmányozásához, a test hőmérséklete annak mértéke, hogy képes-e átadni a hőt a többi testnek..

Két, kölcsönösen érintkező vagy megfelelő közeggel (hővezető) elválasztott test ugyanazon a hőmérsékleten lesz, ha nincs közöttük hőáramlás. Hasonlóképpen, az X test egy testnél nagyobb hőmérsékleten található, és ha a hő X-ről Y-re áramlik.

Melyek a hőtágulás alapvető tulajdonságai?

Egyértelműen kapcsolódik a hőmérséklet-változáshoz, annál magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb a terjeszkedés. Az anyag belső szerkezetétől, hőmérőtől is függ, a higany expanziója sokkal nagyobb, mint az üveg, amely tartalmazza azt..

Mi a termikus expanzió alapvető oka?

A hőmérséklet növekedése az anyagban lévő egyes atomok kinetikai energiájának növekedését jelenti. Egy szilárd anyagban, ellentétben a gázzal, az atomok vagy molekulák szorosan együtt vannak egymással, de kinetikus energiájuk (kis és gyors rezgések formájában) elválasztja az atomokat vagy molekulákat egymástól.

A szomszédos atomok közötti szétválasztás egyre nagyobb lesz, és a szilárd anyag méretének növekedését eredményezi.

A legtöbb anyag esetében a szokásos körülmények között nincs előnyös irány, ahol a hőtágulás bekövetkezne, és a hőmérséklet emelkedése megnöveli a szilárd anyag méretét az egyes dimenziókban..

Lineáris dilatáció

A dilatáció legegyszerűbb példája az egyik dimenzió (lineáris) kiterjesztése. Kísérletileg kimutatták, hogy az anyag ΔL hosszának változása arányos a hőmérséklet ΔT és a kezdeti hossza Lo változásával (1. ábra). Ezt a következő módon képviselhetjük:

DL = aLoDT

ahol α az arányossági együttható, amelyet lineáris expanziós együtthatónak neveznek, és minden anyagra jellemző. Ennek az együtthatónak néhány értéke az A táblázatban látható.

A lineáris tágulási együttható nagyobb azoknál az anyagoknál, amelyeknél nagyobb a növekedés minden egyes Celsius foknál, ami emelkedik a hőmérsékletén.

Felszíni dilatáció

Ha egy síkot veszünk egy szilárd testben, úgy, hogy ez a sík az, amelyik a hőbővítésen megy keresztül (2. ábra), az ΔA terület változását a következőképpen adjuk meg:

DA = 2aA0

ahol ΔA az Ao kezdeti terület változása, T a hőmérséklet változása és α a lineáris tágulási együttható.

Térfogat-dilatáció

Mint az előző esetekben, az ΔV térfogatváltozás közelíthető a relációval (3. ábra). Ezt az egyenletet általában a következőképpen írják:

DV = bVoDT

ahol β a volumetrikus tágulási együttható és megközelítőleg 3a Λα τα ßλα 2, néhány anyag térfogati expanziós együtthatóinak értékei láthatóak.

Általánosságban elmondható, hogy az anyagok a hőmérséklet emelkedése alatt bővülnek, a víz a legjelentősebb kivétel e szabály alól. A víz megnő, ha a hőmérséklete meghaladja a 4 ° C-ot.

Ugyanakkor a hőmérséklet 4 ° C és 0 ° C közötti hőmérséklete csökkenése esetén is kitágul. Ezt a hatást megfigyelhetjük, ha a vizet hűtőszekrénybe helyezik, a víz fagyás közben tágul, és ez a tágulás miatt nehéz a jeget a tartályból kitermelni..

Példák

A térfogati dilatáció különbségei érdekes hatásokat okozhatnak egy benzinkútnál. Példa erre a tartályban lévő benzin csöpögése, amelyet egy meleg nap alatt töltöttek be.

A benzin öntéskor lehűti az acéltartályt, és mind a benzin, mind a tartály a környező levegő hőmérsékletével bővül. Azonban a benzin sokkal gyorsabban tágul, mint az acél, és így csepeg a tartályból.

A benzin és az azt tartalmazó tartály közötti tágulási különbség problémákat okozhat az üzemanyagszint-indikátor olvasásakor. A tartályban maradt benzin (tömeg) mennyisége a vákuumszint elérésekor nyáron sokkal alacsonyabb, mint télen.

A benzin ugyanolyan térfogatú mindkét állomáson, amikor a figyelmeztető lámpa világít, de mivel a benzin nyáron tágul, alacsonyabb tömegű..

Például 60L teljes kapacitású teljes acél benzintartálynak tekinthető. Ha a tartály és a benzin hőmérséklete 15 ° C, mennyi gáz kerül kiömlésre, amikor 35 ° C-os hőmérsékletet ér el.?

A tartály és a benzin a hőmérséklet növekedése miatt növeli a térfogatot, de a benzin nagyobb lesz, mint a tartály. Így a kiömlött benzin lesz a kötetváltozás különbsége. A térfogat-bővítési egyenlet felhasználható a térfogat-változások kiszámításához:

Ekkor a hőmérséklet emelkedése által kiömlött térfogat:

Ezeket a 3 egyenletet egyben egyesítve:

A 2. táblázatból a volumetrikus tágulási együttható értékeit kapjuk meg:

Bár ez a mennyiség a kiömlött gáz viszonylag jelentéktelen a 60 literes tartályhoz képest, a hatás meglepő, mivel a benzin és az acél nagyon gyorsan terjed.

bibliográfia

  1. Yen Ho Cho, R. Taylor. Szilárd anyagok termikus bővítése ASM International, 1998.
  2. H. Ibach, Hans Lüth Szilárdtest fizika: Bevezetés az anyagtudományi alapelvekbe Springer Science & Business Media, 2003.
  3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, 1. kötet, Wiley, 2001.
  4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett A klasszikus fizika elemei Elsevier, 2013.
  5. Zemansky Mark W. Hő és termodinamika. Editorial Aguilar, 1979.