Što je volumetrijska dilacija? (S primjerima)

Volumetrijska dilacija je fizički fenomen koji podrazumijeva varijaciju u tri dimenzije tijela. Volumen ili dimenzije većine tvari rastu kada se podvrgnu toplini; To je fenomen poznat kao toplinska ekspanzija, no postoje i tvari koje se spajaju pri zagrijavanju.

Iako su promjene volumena relativno male za krute tvari, one su od velike tehničke važnosti, uglavnom u situacijama u kojima se želi spojiti materijale koji se šire na drugačiji način..

Oblik nekih krutina trpi izobličenja kada se zagrije i može se proširiti u nekim smjerovima i ugovoriti u drugima. Međutim, kada postoji samo dilatacija u određenom broju dimenzija, postoji klasifikacija za takva proširenja:

• Linearna dilatacija nastaje kada prevladava varijacija u određenoj dimenziji, kao što je duljina, širina ili visina tijela.
• Površna dilacija je ona u kojoj prevladava varijacija u dvije od tri dimenzije.
• Konačno, volumetrijska dilacija podrazumijeva varijaciju u tri dimenzije tijela.

indeks

• 1 Osnovni pojmovi vezani uz toplinsko širenje
  • 1.1 Toplinska energija
  • 1.2 Toplina
  • 1.3 Temperatura
• 2 Koja su osnovna svojstva toplinskog širenja?
• 3 Što je temeljni uzrok toplinskog širenja?
  • 3.1 Linearno širenje
  • 3.2 Proširenje površine
  • 3.3 Volumetrijska dilacija
• 4 Primjeri
• 5 Bibliografija

Osnovni pojmovi vezani uz toplinsko širenje

Toplinska energija

Materija se sastoji od atoma koji su u stalnom pokretu, ili se kreću ili vibriraju. Kinetička energija (ili kretanje) s kojom se atomi kreću naziva se toplinska energija, što se brže kreću, to više imaju toplinsku energiju.

vrućina

Toplina je toplinska energija koja se prenosi između dvije ili više tvari ili iz jedne tvari u drugu na makroskopskoj skali. To znači da se vruće tijelo može odreći dijela svoje toplinske energije i utjecati na tijelo u blizini.

Količina prenesene toplinske energije ovisi o prirodi obližnjeg tijela i mediju koji ih razdvaja.

temperatura

Koncept temperature je temeljni za proučavanje učinaka topline, a temperatura tijela je mjera njegove sposobnosti da prenosi toplinu na druga tijela.

Dva tijela u međusobnom kontaktu ili odvojena odgovarajućim medijem (provodnik topline) bit će na istoj temperaturi ako nema međusobnog protoka topline. Isto tako, tijelo X će se naći na temperaturi većoj od temperature tijela i ako toplina teče od X na Y.

Koja su osnovna svojstva toplinskog širenja?

To je jasno povezano s promjenom temperature, što je viša temperatura, veća je ekspanzija. To također ovisi o unutarnjoj strukturi materijala, u termometru, ekspanzija žive je mnogo veća od ekspanzije stakla koje ga sadrži.

Što je temeljni uzrok toplinskog širenja?

Povećanje temperature implicira povećanje kinetičke energije pojedinih atoma u tvari. U krutom, za razliku od plina, atomi ili molekule su usko povezani, ali njihova kinetička energija (u obliku malih i brzih vibracija) razdvaja atome ili molekule jedan od drugoga.

Ovo razdvajanje između susjednih atoma postaje sve veće i rezultira povećanjem veličine krute tvari.

Za većinu tvari u uobičajenim uvjetima nema preferiranog smjera u kojem dolazi do toplinskog širenja, a povećanje temperature će povećati veličinu krutine za određenu frakciju u svakoj dimenziji..

Linearna dilatacija

Najjednostavniji primjer dilatacije je ekspanzija u jednoj dimenziji (linearnoj). Eksperimentalno je utvrđeno da je promjena duljine ΔL tvari proporcionalna promjeni temperature ΔT i početne duljine Lo (slika 1). To možemo predstaviti na sljedeći način:

DL = DLT

gdje je α koeficijent proporcionalnosti koji se naziva koeficijent linearnog širenja i karakterističan je za svaki materijal. Neke vrijednosti tog koeficijenta prikazane su u tablici A.

Koeficijent linearnog širenja je veći za materijale koji doživljavaju veću ekspanziju za svaki stupanj Celzijusa koji povećava svoju temperaturu.

Površinska dilatacija

Kada je ravnina uzeta unutar čvrstog tijela, tako da je ta ravnina ona koja prolazi kroz toplinsko širenje (Slika 2), promjena površine AA je dana:

DA = 2aA0

gdje je ΔA promjena početne površine Ao, T je promjena temperature i α je koeficijent linearnog ekspanzije.

Volumetrijska dilatacija

Kao iu prethodnim slučajevima, promjena volumena ΔV može se aproksimirati odnosom (Slika 3). Ova se jednadžba obično piše na sljedeći način:

DV = bVoDT

gdje je β koeficijent volumetrijske ekspanzije i približno je jednak 3α Λα τα ßλα 2 prikazane su vrijednosti koeficijenata volumetrijske ekspanzije za neke materijale..

Općenito, tvari će se povećavati pod povećanjem temperature, voda je najvažnija iznimka od ovog pravila. Voda se širi kada se temperatura poveća kada je viša od 4ºC.

Međutim, ona se također širi nakon smanjenja temperature u rasponu od 4 ° C do 0 ° C. Ovaj učinak može se promatrati kada se voda stavi u hladnjak, voda se širi prilikom smrzavanja i teško je izlučiti led iz njegovog spremnika..

Primjeri

Razlike u volumetrijskoj dilataciji mogu dovesti do zanimljivih učinaka na benzinskoj postaji. Primjer je kapanje benzina u spremniku koji je upravo napunjen tijekom vrućeg dana.

Benzin hladi čelični spremnik kada se izlije, a benzin i spremnik se šire s temperaturom okolnog zraka. Međutim, benzin raste mnogo brže od čelika i tako izlazi iz spremnika.

Razlika u ekspanziji između benzina i spremnika koji ga sadrži može uzrokovati probleme pri očitavanju indikatora razine goriva. Količina benzina (mase) koja je ostala u spremniku kada indikator dosegne razinu vakuuma je mnogo niža ljeti nego zimi.

Benzin ima isti volumen na obje postaje kada se upali svjetlo upozorenja, ali zato što se benzin ljeti širi, ima manju masu.

Kao primjer, može se smatrati spremnik s punom čelikom s kapacitetom od 60L. Ako je temperatura spremnika i benzina 15 ºC, koliko će se plina prosuti kada dosegnu temperaturu od 35ºC?

Spremnik i benzin povećat će se zbog povećanja temperature, ali će se benzin povećati više od spremnika. Dakle, proliveni benzin bit će razlika u promjenama volumena. Jednadžba volumetrijske ekspanzije tada se može koristiti za izračunavanje promjena volumena:

Količina prolivena povećanjem temperature je tada:

Kombinirajući ove 3 jednadžbe u jednom, imamo:

Iz tablice 2. dobivene su vrijednosti koeficijenta volumetrijske ekspanzije, zamjenjujući vrijednosti:

Iako je količina prolivenog plina relativno beznačajna u usporedbi s tankom od 60 litara, učinak je iznenađujući budući da se benzin i čelik vrlo brzo šire..

bibliografija

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Termička ekspanzija čvrstih tvari ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Fizika čvrstog stanja: uvod u načela znanosti o materijalima Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Fizika, svezak 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elementi klasične fizike Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Toplina i termodinamika. Uvodnik Aguilar, 1979.