Hva er volumetrisk utvidelse? (Med eksempler)



Volumetrisk utvidelse er et fysisk fenomen som innebærer en variasjon i kroppens tre dimensjoner. Volumet eller dimensjonene til de fleste stoffer øker når de blir utsatt for varme; Dette er et fenomen som kalles termisk ekspansjon, men det er også stoffer som kontrakt når de blir oppvarmet.

Selv om volumendringene er relativt små for faste stoffer, er de av stor teknisk betydning, hovedsakelig i situasjoner der det er ønskelig å bli med materialer som utvider seg på en annen måte..

Formen på noen faste stoffer lider av forvrengning når de oppvarmes og kan utvides i noen retninger og kontrakt i andre. Men når det bare er utvidelse i et visst antall dimensjoner, er det en klassifisering for slike utvidelser:

  • Linjær dilatasjon oppstår når variasjon i en bestemt dimensjon overhenger, for eksempel kroppens lengde, bredde eller høyde.
  • Den overfladiske dilatasjonen er det der variasjonen i to av de tre dimensjonene dominerer.
  • Endelig innebærer volumetrisk dilatasjon en variasjon i kroppens tre dimensjoner.

index

  • 1 Grunnleggende begreper knyttet til termisk ekspansjon
    • 1.1 Termisk energi
    • 1.2 Varme
    • 1.3 Temperatur
  • 2 Hva er de grunnleggende egenskapene til termisk ekspansjon?
  • 3 Hva er den grunnleggende årsaken til termisk ekspansjon?
    • 3.1 Lineær ekspansjon
    • 3.2 Overflateutvidelse
    • 3,3 volumetrisk utvidelse
  • 4 eksempler
  • 5 Bibliografi

Grunnleggende begreper knyttet til termisk ekspansjon

Termisk energi

Mater består av atomer som er i kontinuerlig bevegelse, enten beveger seg eller vibrerer. Den kinetiske energien (eller bevegelsen) med hvilken atomer beveger seg kalles termisk energi, jo raskere de beveger seg, jo mer termisk energi de har.

hete

Varme er termisk energi som overføres mellom to eller flere stoffer eller fra et stoff til et annet i makroskopisk skala. Dette betyr at en varm kropp kan gi opp en del av sin termiske energi og påvirke en kropp nær den.

Mengden av termisk energi som overføres avhenger av naturen til den nærliggende kroppen og mediet som skiller dem.

temperaturen

Temperaturbegrepet er grunnleggende for å studere virkningen av varme, temperaturen på en kropp er målet for dets evne til å overføre varme til andre legemer.

To legemer i gjensidig kontakt eller adskilt av et egnet medium (varmeleder) vil være i samme temperatur hvis det ikke er noen varmestrøm mellom dem. På samme måte vil en kropp X bli funnet ved en temperatur som er større enn den for en kropp, og hvis varmen strømmer fra X til Y.

Hva er de grunnleggende egenskapene til termisk ekspansjon?

Det er tydelig knyttet til en temperaturendring, jo høyere temperaturen er, jo større ekspansjon. Det avhenger også av materialets indre struktur. I et termometer er ekspansjonen av kvikksølv mye større enn utvidelsen av glasset som inneholder det.

Hva er den grunnleggende årsaken til termisk ekspansjon?

En økning i temperaturen innebærer en økning i den kinetiske energien til individuelle atomer i en substans. I et fast stoff, i motsetning til en gass, er atomer eller molekyler tett sammen, men deres kinetiske energi (i form av små og raske vibrasjoner) skiller atomer eller molekyler fra hverandre.

Denne separasjonen mellom nærliggende atomer blir stadig større og resulterer i en økning i størrelsen av det faste stoffet.

For de fleste stoffer under vanlige forhold er det ingen foretrukket retning der termisk ekspansjon oppstår, og økningen i temperatur vil øke størrelsen på det faste stoffet med en viss brøkdel i hver dimensjon.

Lineær dilatasjon

Det enkleste eksempelet på utvidelse er utvidelse i en dimensjon (lineær). Det er eksperimentelt funnet at endringen i lengde ΔL av et stoff er proporsjonal med temperaturendringen ΔT og den innledende lengden Lo (Figur 1). Vi kan representere dette på følgende måte:

DL = aLoDT

hvor α er en proporsjonalitetskoefficient kalt lineær ekspansjonskoeffisient og er karakteristisk for hvert materiale. Noen verdier av denne koeffisienten er vist i tabell A.

Linjær ekspansjonskoeffisienten er større for materialer som opplever en større ekspansjon for hver grad celsius som øker temperaturen.

Overflateutvidelse

Når et fly er tatt inne i en fast kropp, slik at dette planet er det som undergår termisk ekspansjon (Figur 2), er endringen i området AA gitt av:

DA = 2aA0

hvor ΔA er forandringen i utgangspunktet Ao, er T temperaturendringen og α er lineær ekspansjonskoeffisient.

Volumetrisk utvidelse

Som i de foregående tilfellene, kan endringen i volumet AV bli tilnærmet med forholdet (Figur 3). Denne ligningen er vanligvis skrevet som følger:

DV = bVoDT

hvor β er volumetrisk ekspansjonskoeffisient og er omtrent lik 3a Λα τα ßλα 2, vises verdiene for koeffisientene for volumetrisk ekspansjon for enkelte materialer.

Generelt vil stoffene ekspandere under en økning i temperatur, vann er det viktigste unntaket til denne regelen. Vannet utvides når temperaturen øker når den er høyere enn 4ºC.

Det utvider imidlertid også ved å senke temperaturen i området 4 ° C til 0 ° C. Denne effekten kan observeres når vann legges inne i kjøleskap, vannet ekspanderer ved frysing og det er vanskelig å trekke isen fra beholderen ved denne utvidelsen.

eksempler

Forskjeller i volumetrisk utvidelse kan føre til interessante effekter i en bensinstasjon. Et eksempel er bensindråpen i en tank som nettopp er fylt på en varm dag.

Bensin avkjøler ståltanken når den helles, og både bensin og tank utvides med omgivende luftens temperatur. Men bensin dilaterer mye raskere enn stål, og dråper dermed ut av tanken.

Forskjellen i ekspansjon mellom bensin og tanken som inneholder den kan forårsake problemer når du leser drivstoffnivåindikatoren. Mengden bensin (masse) igjen i en tank når indikatoren når et vakuumnivå er mye lavere om sommeren enn om vinteren.

Bensin har samme volum på begge stasjonene når advarselslyset lyser, men fordi bensin utvides om sommeren, har den en lavere masse.

Som et eksempel kan det betraktes som en fullstål bensinbeholder med en kapasitet på 60 liter. Hvis temperaturen på tanken og bensinen er 15ºC, hvor mye gass vil bli spilt når de når en temperatur på 35ºC?

Tanken og bensinen vil øke i volum på grunn av økningen i temperaturen, men bensin vil øke mer enn tanken. Så, den spylte bensinen vil være forskjellen på volumendringene. Den volumetriske ekspansjonsligningen kan da brukes til å beregne volumendringer:

Volumet som spres av temperaturøkningen er da:

Kombinere disse 3 ligningene i ett, har vi:

Fra tabell 2 blir verdiene av koeffisienten for volumetrisk ekspansjon oppnådd, og erstatter verdier:

Selv om denne mengden utslippsgass er relativt ubetydelig sammenlignet med en 60 L tank, er effekten overraskende siden bensin og stål ekspanderer veldig fort.

bibliografi

  1. Yen Ho Cho, Taylor R. Termisk utvidelse av Solids ASM International, 1998.
  2. H. Ibach, Hans Lüth Solid State Physics: En introduksjon til prinsipper for materialvitenskap Springer Science & Business Media, 2003.
  3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, Volume 1. Wiley, 2001.
  4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elementer av klassisk fysikk Elsevier, 2013.
  5. Zemansky Mark W. Varme og termodynamikk. Editorial Aguilar, 1979.