Що таке об'ємне розширення? (З прикладами)

Об'ємна дилатація - це фізичне явище, яке передбачає зміну трьох вимірів тіла. Об'єм або розміри більшості речовин зростають при нагріванні; Це явище, відоме як термічне розширення, однак існують також речовини, які стикаються при нагріванні.

Хоча зміни обсягу відносно невеликі для твердих тіл, вони мають велике технічне значення, головним чином у ситуаціях, коли бажано приєднати матеріали, які розширюються по-іншому..

Форма деяких твердих тіл зазнає спотворень при нагріванні і може розширюватися в деяких напрямках і скорочуватися в інших. Однак, коли існує лише розширення в певній кількості розмірів, існує класифікація для таких розширень:

• Лінійна дилатація виникає, коли переважає зміна конкретного виміру, наприклад, довжина, ширина або висота тіла.
• Поверхнева дилатація полягає в тому, що коливання у двох з трьох вимірів переважають.
• Нарешті, об'ємне розширення означає зміну трьох вимірів тіла.

Індекс

• 1 Основні поняття, пов'язані з тепловим розширенням
  • 1.1 Теплова енергія
  • 1.2 Тепло
  • 1.3 Температура
• 2 Які основні властивості теплового розширення?
• 3 Що є основною причиною теплового розширення?
  • 3.1 Лінійне розширення
  • 3.2 Розширення поверхні
  • 3.3 Об'ємна дилатація
• 4 Приклади
• 5 Бібліографія

Основні поняття, пов'язані з термічним розширенням

Теплова енергія

Матерія складається з атомів, які перебувають у безперервному русі, або рухаються, або вібрують. Кінетична енергія (або рух), з якою рухаються атоми, називається тепловою енергією, чим швидше вони рухаються, тим більше у них теплової енергії.

Тепло

Тепло - це теплова енергія, що передається між двома або більше речовинами або від однієї речовини до іншої в макроскопічному масштабі. Це означає, що гаряче тіло може відмовитися від частини своєї теплової енергії і вплинути на тіло, близьке до нього.

Кількість переданої теплової енергії залежить від природи навколишнього тіла та середовища, що їх розділяє.

Температура

Поняття температури є фундаментальним для вивчення впливу тепла, температура тіла є мірою його здатності передавати тепло іншим органам.

Два тіла у взаємному контакті або розділені відповідним середовищем (теплопровідник) будуть при тій же температурі, якщо між ними немає теплового потоку. Аналогічно, тіло X буде знайдено при температурі, що перевищує температуру тіла, і якщо теплота тече від X до Y.

Які основні властивості теплового розширення?

Воно явно пов'язане зі зміною температури, чим вище температура, тим більше розширення. Це також залежить від внутрішньої структури матеріалу, в термометрі розширення ртуті набагато більше, ніж розширення скла, що містить його.

Що є основною причиною теплового розширення?

Підвищення температури передбачає збільшення кінетичної енергії окремих атомів у речовині. У твердому тілі, на відміну від газу, атоми або молекули тісно разом, але їхня кінетична енергія (у вигляді малих і швидких коливань) відокремлює атоми або молекули один від одного.

Це поділ між сусідніми атомами стає все більше і призводить до збільшення розміру твердого тіла.

Для більшості речовин в звичайних умовах не існує бажаного напрямку, в якому відбувається термічне розширення, а підвищення температури збільшить розмір твердого тіла на певну фракцію в кожному вимірі..

Лінійна дилатація

Найпростішим прикладом розширення є розширення в одному вимірі (лінійному). Експериментально встановлено, що зміна довжини ΔL речовини пропорційно зміні температури ΔT і початкової довжини Lo (рис. 1). Ми можемо представити це таким чином:

DL = aLoDT

де α - коефіцієнт пропорційності, званий коефіцієнтом лінійного розширення і є характерним для кожного матеріалу. Деякі значення цього коефіцієнта наведені в таблиці А.

Коефіцієнт лінійного розширення більший для матеріалів, які відчувають більшу експансію для кожного градуса Цельсія, що підвищує його температуру.

Розширення поверхні

Коли площина взята всередині твердого тіла, так що ця площина є тією, яка піддається термічному розширенню (Фіг.2), зміна площі ΔA дається шляхом:

DA = 2aA0

де ΔA - зміна початкової області Ao, T - зміна температури і α - коефіцієнт лінійного розширення.

Об'ємна дилатація

Як і в попередніх випадках, зміна обсягу ΔV можна апроксимувати співвідношенням (рис. 3). Це рівняння зазвичай записується наступним чином:

DV = bVoDT

де β - коефіцієнт об'ємного розширення і приблизно дорівнює 3α Λα τα ßλα 2, показані значення коефіцієнтів об'ємного розширення для деяких матеріалів.

Взагалі речовини будуть розширюватися при підвищенні температури, вода є найважливішим винятком з цього правила. Вода розширюється, коли її температура зростає, коли вона вище 4ºC.

Однак вона також розширюється при зниженні її температури в діапазоні від 4 ° C до 0 ° C. Цей ефект можна спостерігати, коли вода поміщена в холодильник, вода розширюється при заморожуванні і важко витягти з неї льоду з цього розширення.

Приклади

Відмінності в об'ємній дилатації можуть призвести до цікавих ефектів на АЗС. Прикладом є крапельний бензин у резервуарі, який тільки що був заповнений протягом жаркого дня.

Бензин охолоджує сталевий резервуар, коли він наливається, і як бензин, так і резервуар розширюються з температурою навколишнього повітря. Однак бензин розширюється набагато швидше, ніж сталь, і, таким чином, витікає з бака.

Різниця в розширенні між бензином і резервуаром, що містить його, може викликати проблеми при читанні індикатора рівня палива. Кількість бензину (маси), залишеного в резервуарі, коли індикатор досягає рівня вакууму, значно нижче влітку, ніж взимку.

Бензин має той же об'єм на обох станціях, коли висвітлюється попереджувальне світло, але оскільки літній бензин розширюється, він має меншу масу.

Як приклад, його можна вважати повним сталевим бензобаком, ємністю 60 л. Якщо температура бака і бензину дорівнює 15ºC, то скільки газу буде пролито, коли вони досягають температури 35ºC?

Резервуар і бензин збільшаться в обсязі за рахунок підвищення температури, але бензин збільшиться більше, ніж танк. Отже, розлитий бензин буде різницею ваших змін обсягу. Рівняння об'ємного розширення можна використовувати для обчислення змін обсягу:

Обсяг, пролитий при збільшенні температури, дорівнює:

Об'єднуючи ці 3 рівняння в одне, ми маємо:

З таблиці 2 отримані значення коефіцієнта об'ємного розширення, підставляючи значення:

Хоча ця кількість розлитого газу відносно незначна в порівнянні з резервуаром 60 л, ефект дивовижний, оскільки бензин і сталь розширюються дуже швидко.

Бібліографія

1. Йен Хо Чо, Тейлор Р. Термічне розширення твердих тіл ASM International, 1998.
2. Х. Ібах, Ганс Лют Фізика твердого тіла: Вступ до принципів матеріалознавства Спрингер Наука та бізнес-медіа, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, Том 1. Wiley, 2001.
4. Мартін Мартін, Чарльз А. Хьюетт Елементи класичної фізики Elsevier, 2013.
5. Земанський Марк В. Тепло-і термодинаміка. Редакція Aguilar, 1979.