Что такое объемная дилатация? (С примерами)



Объемная дилатация - это физическое явление, которое подразумевает изменение в трех измерениях тела. Объем или размеры большинства веществ увеличиваются при воздействии тепла; Это явление известно как тепловое расширение, однако существуют также вещества, которые сжимаются при нагревании.

Хотя объемные изменения относительно малы для твердых веществ, они имеют большое техническое значение, главным образом в ситуациях, когда желательно объединить материалы, которые расширяются другим способом..

Форма некоторых твердых тел при нагревании искажается и может расширяться в одних направлениях и сжиматься в других. Однако, когда есть только расширение в определенном числе измерений, существует классификация для таких расширений:

  • Линейное расширение происходит, когда преобладает изменение в определенном измерении, таком как длина, ширина или высота тела.
  • Поверхностное расширение является тем, где преобладает изменение в двух из трех измерений.
  • Наконец, объемная дилатация подразумевает изменение в трех измерениях тела.

индекс

  • 1 Основные понятия, связанные с тепловым расширением
    • 1.1 Тепловая энергия
    • 1.2 Тепло
    • 1.3 Температура
  • 2 Каковы основные свойства теплового расширения?
  • 3 Какова основная причина теплового расширения?
    • 3.1 Линейное расширение
    • 3.2 Поверхностное расширение
    • 3.3 Объемная дилатация
  • 4 примера
  • 5 Библиография

Основные понятия, связанные с тепловым расширением

Тепловая энергия

Материя состоит из атомов, которые находятся в непрерывном движении, движущемся или вибрирующем. Кинетическая энергия (или движение), с которой движутся атомы, называется тепловой энергией, чем быстрее они движутся, тем больше тепловой энергии у них есть.

тепла

Тепло - это тепловая энергия, передаваемая между двумя или более веществами или от одного вещества к другому в макроскопическом масштабе. Это означает, что горячее тело может отказаться от части своей тепловой энергии и воздействовать на тело рядом с ним.

Количество передаваемой тепловой энергии зависит от природы соседнего тела и среды, которая их разделяет.

температура

Понятие температуры является фундаментальным для изучения влияния тепла, температура тела является мерой его способности передавать тепло другим телам..

Два тела, которые находятся во взаимном контакте или разделены подходящей средой (проводником тепла), будут иметь одинаковую температуру, если между ними нет теплового потока. Точно так же тело X будет найдено при температуре, превышающей температуру тела, и если тепло течет от X к Y.

Каковы основные свойства теплового расширения?

Это явно связано с изменением температуры: чем выше температура, тем больше расширение. Это также зависит от внутренней структуры материала, в термометре расширение ртути намного больше, чем расширение стекла, в котором она находится.

Что является основной причиной теплового расширения?

Повышение температуры подразумевает увеличение кинетической энергии отдельных атомов в веществе. В твердом теле, в отличие от газа, атомы или молекулы находятся близко друг к другу, но их кинетическая энергия (в форме малых и быстрых колебаний) отделяет атомы или молекулы друг от друга.

Это расстояние между соседними атомами становится все больше и приводит к увеличению размера твердого тела..

Для большинства веществ в обычных условиях нет предпочтительного направления, в котором происходит тепловое расширение, и увеличение температуры будет увеличивать размер твердого вещества на определенную долю в каждом измерении..

Линейная дилатация

Простейшим примером расширения является расширение в одном измерении (линейное). Экспериментально установлено, что изменение длины ΔL вещества пропорционально изменению температуры ΔT и начальной длины Lo (рис. 1). Мы можем представить это следующим образом:

DL = aLoDT

где α - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом линейного расширения и характерный для каждого материала. Некоторые значения этого коэффициента приведены в таблице А.

Коэффициент линейного расширения выше для материалов, которые испытывают большее расширение на каждый градус Цельсия, который повышает его температуру.

Поверхностная дилатация

Когда плоскость берется внутри твердого тела, так что эта плоскость подвергается тепловому расширению (рис. 2), изменение площади ΔA определяется как:

DA = 2aA0

где ΔA - изменение начальной области Ao, T - изменение температуры, а α - коэффициент линейного расширения..

Объемная дилатация

Как и в предыдущих случаях, изменение объема ΔV может быть аппроксимировано соотношением (рис. 3). Это уравнение обычно записывается следующим образом:

DV = bVoDT

где β - коэффициент объемного расширения и приблизительно равен 3α Λα τα ßλα 2, приведены значения коэффициентов объемного расширения для некоторых материалов..

Как правило, вещества будут расширяться при повышении температуры, вода является наиболее важным исключением из этого правила. Вода расширяется, когда ее температура увеличивается, когда она выше 4ºC.

Однако он также расширяется при снижении его температуры в диапазоне от 4 ° С до 0 ° С. Этот эффект можно наблюдать, когда воду помещают внутрь холодильника, вода расширяется при замерзании, и при таком расширении трудно извлечь лед из контейнера..

примеров

Различия в объемном расширении могут привести к интересным эффектам на заправочной станции. Пример - капля бензина в бак, который был только что заполнен в жаркий день.

Бензин охлаждает стальной резервуар при его заливке, и бензин, и резервуар расширяются в зависимости от температуры окружающего воздуха. Однако бензин растворяется намного быстрее, чем сталь, и, таким образом, капает из бака.

Разница в расширении между бензином и баком, который его содержит, может вызвать проблемы при считывании индикатора уровня топлива. Количество бензина (масса), оставляемое в баке, когда индикатор достигает уровня вакуума, намного ниже летом, чем зимой.

Когда загорается сигнальная лампа, бензин имеет одинаковый объем на обеих станциях, но из-за того, что бензин расходится летом, он имеет меньшую массу.

В качестве примера можно рассмотреть полностью стальной бензобак емкостью 60 л. Если температура бака и бензина составляет 15ºC, сколько газа будет разлито, когда они достигнут температуры 35ºC?

Бак и бензин увеличатся в объеме из-за повышения температуры, но бензин увеличится больше, чем бак. Таким образом, разлитый бензин будет разница ваших изменений объема. Затем уравнение объемного расширения можно использовать для расчета изменений объема:

Объем, разлитый при повышении температуры, составляет:

Объединяя эти 3 уравнения в одно, мы имеем:

Из таблицы 2 получены значения коэффициента объемного расширения, подставив значения:

Хотя это количество пролитого газа относительно незначительно по сравнению с баком на 60 л, эффект удивителен, поскольку бензин и сталь очень быстро разрастаются.

библиография

  1. Йен Хо Чо, Тейлор Р. Термическое расширение твердого тела ASM International, 1998.
  2. Х. Ибах, физика твердого тела Ханса Люта: введение в основы материаловедения Springer Science & Business Media, 2003.
  3. Хэллидей Д., Резник Р., Крейн К. Физика, том 1. Wiley, 2001.
  4. Мартин К. Мартин, Чарльз А. Хьюитт Элементы классической физики Elsevier, 2013.
  5. Земанский Марк В. Тепло и термодинамика. Редакция Агилар, 1979.