Kas yra tūrio išsiplėtimas? (Su pavyzdžiais)

Tūrinis išsiplėtimas yra fizinis reiškinys, kuris reiškia trijų kūno matmenų pokyčius. Daugumos medžiagų tūris arba matmenys padidėja, kai jie patenka į šilumą; Tai reiškinys, vadinamas termine plėtra, tačiau taip pat yra medžiagų, kurios susitraukia šildant.

Nors kietųjų medžiagų kiekio pokyčiai yra palyginti nedideli, jie turi didelę techninę reikšmę, daugiausia tais atvejais, kai pageidaujama sujungti medžiagas, kurios plėtojasi skirtingai.

Kai kurių kietųjų medžiagų forma iškraipoma, kai šildoma, ir kai kuriose kryptyse gali išplisti ir susitraukti kitose. Tačiau, kai tam tikro dydžio matmenyse yra tik išsiplėtimas, yra tokių išplėtimų klasifikacija:

• Linijinis išsiplėtimas įvyksta, kai vyrauja tam tikro dydžio variacijos, pvz., Kūno ilgis, plotis arba aukštis.
• Paviršinis išsiplėtimas yra tas, kad dominuoja dviejų iš trijų dimensijų skirtumai.
• Galiausiai, tūrinis išsiplėtimas reiškia trijų kūno matmenų pokyčius.

Pagrindinės sąvokos, susijusios su šiluminiu plėtimu

Šiluminė energija

Medžiaga sudaryta iš atomų, kurie yra nuolat judantys, judantys arba vibruojantys. Kinetinė energija (arba judėjimas), su kuriais atomai perkeliami, vadinama šilumine energija, tuo greičiau jie juda, tuo daugiau šiluminės energijos jie turi.

Šiluma

Šiluma - tai šiluminė energija, perduodama tarp dviejų ar daugiau medžiagų arba iš vienos medžiagos į kitą makroskopiniu mastu. Tai reiškia, kad karštas kūnas gali atsisakyti dalies savo šiluminės energijos ir paveikti šalia jo esančią kūną.

Perduotos šiluminės energijos kiekis priklauso nuo netoliese esančio kūno ir jų išskiriančios terpės pobūdžio.

Temperatūra

Temperatūros samprata yra labai svarbi norint ištirti šilumos poveikį, kūno temperatūra yra jo gebėjimo perduoti šilumą kitoms įstaigoms matas.

Dvi kūno sąveikos arba atskirtos tinkama terpe (šilumos laidininku) bus toje pačioje temperatūroje, jei tarp jų nėra šilumos srauto. Panašiai kūnas X bus randamas aukštesnėje nei kūno Y temperatūroje, jei šiluma teka iš X į Y.

Kokios yra pagrindinės šiluminės plėtros savybės?

Tai aiškiai susiję su temperatūros pokyčiais, tuo aukštesnė temperatūra, tuo didesnė plėtra. Tai taip pat priklauso nuo vidinės medžiagos struktūros, termometre, gyvsidabrio išplitimas yra daug didesnis nei stiklo, kuriame yra jo, plėtimas.

Kas yra pagrindinė šiluminės plėtros priežastis?

Temperatūros padidėjimas reiškia medžiagos kinetinės energijos padidėjimą. Kietoje, skirtingai nuo dujų, atomai ar molekulės yra glaudžiai tarpusavyje susijusios, tačiau jų kinetinė energija (mažų ir greitų vibracijų pavidalu) atskiria atomus ar molekules viena nuo kitos.

Šis atskyrimas tarp gretimų atomų tampa vis didesnis ir dėl to padidėja kietosios medžiagos dydis.

Daugeliui medžiagų įprastomis sąlygomis nėra pageidaujamos krypties, kurioje atsiranda šiluminė plėtra, o temperatūros didinimas padidins kietos medžiagos dydį tam tikru kiekvienos dimensijos frakcijos.

Tiesinė dilatacija

Paprasčiausias išsiplėtimo pavyzdys yra plėtra viename matmenyje (tiesinė). Eksperimentiškai nustatyta, kad medžiagos ilgio ΔL pokytis yra proporcingas temperatūros ΔT ir pradinio ilgio Lo pokyčiui (1 pav.). Tai galime atstovauti taip:

DL = aLoDT

kur α yra proporcingumo koeficientas, vadinamas tiesinio išsiplėtimo koeficientu ir kiekvienai medžiagai būdingas. Kai kurios šio koeficiento vertės pateiktos A lentelėje.

Linijinio išsiplėtimo koeficientas yra didesnis medžiagoms, kurių kiekvieno laipsnio Celsijaus laipsnis yra didesnis, kai jų temperatūra pakyla.

Paviršiaus dilatacija

Kai plokštuma yra paimama iš kieto korpuso, kad ši plokštuma yra tokia, kuri patenka į šiluminę plėtimąsi (2 pav.), Srities ΔA pokytis nustatomas pagal:

DA = 2aA0

kur ΔA yra pradinės srities Ao pokytis, T yra temperatūros pokytis ir α yra tiesinio išplėtimo koeficientas.

Tūrinis išsiplėtimas

Kaip ir ankstesniais atvejais, tūrio ΔV pokytis gali būti artimas santykiui (3 pav.). Ši lygtis paprastai rašoma taip:

DV = bVoDT

kur β yra tūrio plėtimosi koeficientas ir yra maždaug lygus 3α Λα τα ßλα 2, parodomos kai kurių medžiagų tūrio plėtimosi koeficientų vertės.

Apskritai, medžiagos plečiasi, didėjant temperatūrai, vanduo yra svarbiausia šios taisyklės išimtis. Vanduo plečiasi, kai jo temperatūra pakyla aukštesnė nei 4 ° C.

Tačiau ji taip pat plečiasi, sumažindama temperatūrą nuo 4 ° C iki 0 ° C. Šį poveikį galima pastebėti, kai vanduo yra patalpinamas į šaldytuvą, vanduo išsišakoja.

Pavyzdžiai

Skirtumo tarp tūrio išsiplėtimas gali sukelti įdomių efektų degalinėje. Pavyzdys - tai benzino lašai bake, kuris ką tik buvo užpildytas per karštą dieną.

Benzinas atvėsina plieninį baką, kai jis išpilamas, ir tiek benzinas, tiek bakas išsiplečia su aplinkos oro temperatūra. Tačiau benzinas išsiplėtė kur kas greičiau nei plienas, todėl lašai išleidžiami iš rezervuaro.

Skirtumo tarp benzino ir talpyklos, kurioje jis yra, skirtumas gali sukelti problemų, kai skaitomas degalų lygio indikatorius. Talpykloje likęs benzino (masės) kiekis, kai indikatorius pasiekia vakuumo lygį, vasarą yra daug mažesnis nei žiemą.

Benzinas turi tą patį tūrį abiejose stotyse, kai įsižiebia įspėjamoji lemputė, bet dėl ​​to, kad vasarą benzinas išsiplečia, jo masė mažesnė.

Pavyzdžiui, jis gali būti laikomas visiškai plieno benzino baku, kurio talpa 60L. Jei bako ir benzino temperatūra yra 15ºC, kiek dujų bus išsiliejusi, kai pasiekia 35 ° C temperatūrą?

Bakas ir benzinas padidės dėl temperatūros padidėjimo, tačiau benzinas padidės daugiau nei bakas. Taigi, išsiliejęs benzinas bus jūsų tūrio pokyčių skirtumas. Tuomet tūrio pokyčiams apskaičiuoti gali būti naudojama tūrinė plėtimosi lygtis:

Tuomet išmatuotas temperatūros padidėjimas yra:

Derinant šias 3 lygtis viename, turime:

Iš 2 lentelės gaunamos tūrio išplėtimo koeficiento vertės, pakeičiančios vertes:

Nors šis išsiliejusių dujų kiekis yra palyginti nereikšmingas, palyginti su 60 l talpos rezervuaru, efektas stebina, nes benzinas ir plienas labai sparčiai plinta.

Bibliografija

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Šiluminės šilumos išplėtimas ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth kietojo kūno fizika: įvadas į medžiagų mokslo principus Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, 1 tomas. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Klasikinės fizikos elementai Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Šiluma ir termodinamika. Red. Aguilar, 1979 m.