MIKÄ ON TILAVUUSLAAJENNUS? (ESIMERKKEINÄ) - FYYSINEN - 2025

Tilavuuden laajeneminen on fysikaalinen ilmiö, johon liittyy muutos kolmessa ulottuvuudessa elin. Useimpien aineiden tilavuus tai mitat kasvavat, kun ne altistetaan kuumuudelle; Tämä on ilmiö, joka tunnetaan lämpölaajenemisena, mutta on myös aineita, jotka supistuvat kuumentuessaan.

Vaikka tilavuuden muutokset ovat suhteellisen pienet kiintoaineiden suhteen, niillä on suuri tekninen merkitys, etenkin tilanteissa, joissa halutaan liittyä eri tavoin laajeneviin materiaaleihin.

Joidenkin kiintoaineiden muoto vääristyy kuumentuessaan ja voi laajentua tiettyihin suuntiin ja supistua toisissa. Kuitenkin, kun on olemassa vain dilaatio tietyssä määrässä ulottuvuuksia, tällaisille laajennuksille on luokittelu:

• Lineaarinen dilaatio tapahtuu, kun tietyn ulottuvuuden variaatio on vallitseva, kuten vartalon pituus, leveys tai korkeus.
• Pinnan laajentuminen on sellainen, jossa variaatio kahdessa kolmesta ulottuvuudesta on vallitseva.
• Lopuksi, tilavuuslaajennus merkitsee variaatiota kehon kolmessa ulottuvuudessa.

Lämpölaajenemiseen liittyvät peruskäsitteet

Lämpöenergia

Aine koostuu atomeista, jotka ovat jatkuvassa liikkeessä, joko liikkuvia tai väriseviä. Kineettistä (tai liike) energiaa, jolla atomit liikkuvat, kutsutaan lämpöenergiaksi, mitä nopeammin ne liikkuvat, sitä enemmän lämpöenergiaa niillä on.

Kuuma

Lämpö on lämpöenergia, joka siirtyy kahden tai useamman aineen välillä tai aineen yhdestä osasta toiseen makroskooppisessa mittakaavassa. Tämä tarkoittaa, että kuuma ruumis voi luopua osasta lämpöenergiaansa ja vaikuttaa lähellä sitä olevaan kehoon.

Siirretyn lämpöenergian määrä riippuu lähellä olevan kehon luonteesta ja ympäristöstä, joka erottaa ne.

Lämpötila

Lämpötilan käsite on olennainen tutkittaessa lämmön vaikutuksia. Kehon lämpötila on mitta sen kyvystä siirtää lämpöä muihin kehoihin.

Kaksi kappaletta, jotka ovat keskenään kosketuksissa tai erotetaan sopivalla väliaineella (lämmönjohtimella), ovat samassa lämpötilassa, jos niiden välillä ei ole lämpövirtausta. Samoin runko X on korkeammassa lämpötilassa kuin runko Y, jos lämpö virtaa X: stä Y: hen.

Mitkä ovat lämpölaajenemisen perusominaisuudet?

Se liittyy selvästi lämpötilan muutokseen, mitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi laajeneminen. Se riippuu myös materiaalin sisäisestä rakenteesta, lämpömittarissa elohopean laajentuminen on paljon suurempi kuin sitä sisältävän lasin laajeneminen.

Mikä on lämpölaajenemisen perimmäinen syy?

Lämpötilan nousu merkitsee aineen yksittäisten atomien kineettisen energian lisääntymistä. Kiinteässä aineessa, toisin kuin kaasussa, atomit tai molekyylit ovat tiiviisti yhdessä, mutta niiden kineettinen energia (pienten, nopeiden värähtelyjen muodossa) erottaa atomit tai molekyylit toisistaan.

Tämä erottelu vierekkäisten atomien välillä kasvaa ja kasvaa, ja johtaa kiinteän aineen koon lisääntymiseen.

Suurimmalle osalle aineista normaaleissa olosuhteissa ei ole edullista suuntaa, jossa lämpölaajeneminen tapahtuu, ja lämpötilan nousu lisää kiinteän aineen kokoa tietyllä fraktiolla jokaisessa ulottuvuudessa.

Lineaarinen dilaatio

Yksinkertaisin esimerkki dilaatiosta on laajennus yhdessä (lineaarisessa) ulottuvuudessa. Kokeellisesti havaitaan, että aineen pituuden muutos AL on verrannollinen lämpötilan muutokseen AT ja alkuperäiseen pituuteen Lo (kuva 1). Voimme edustaa tätä seuraavalla tavalla:

DL = aLoDT

missä α on suhteellisuuskerroin, jota kutsutaan lineaarisen laajenemiskertoimeksi ja joka on ominaista jokaiselle materiaalille. Jotkut tämän kertoimen arvot on esitetty taulukossa A.

Lineaarisen paisuntakerroin on suurempi materiaaleille, joiden laajentuminen on suurempi jokaisessa celsiusasteessa lämpötilan noustessa.

Pintainen dilaatio

Kun taso otetaan kiinteän rungon sisällä siten, että tämä taso läpäisee lämpölaajenemisen (kuva 2), alueen ΔA muutos saadaan:

DA = 2aA0

missä ΔA on muutos alkuperäisellä alueella Ao, T on lämpötilan muutos ja α on lineaarisen laajenemiskerroin.

Tilavuuslaajennus

Kuten aikaisemmissa tapauksissa, tilavuuden muutosta AV voidaan arvioida suhteen kanssa (kuva 3). Tämä yhtälö kirjoitetaan yleensä seuraavasti:

DV = bVoDT

missä β on tilavuuslaajenemiskerroin ja on suunnilleen yhtä suuri kuin 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, näytetään joidenkin materiaalien tilavuuslaajenemiskertoimien arvot.

Yleensä aineet laajenevat lämpötilan noustessa, ja vesi on tärkein poikkeus tästä säännöstä. Vesi laajenee, kun sen lämpötila nousee, kun se on yli 4ºC.

Se kuitenkin laajenee myös, kun sen lämpötila laskee välillä 4 ° C - 0 ° C. Tämä vaikutus voidaan havaita, kun vettä laitetaan jääkaappiin, vesi laajenee, kun se jäätyy, ja jää on vaikea poistaa astiastaan ​​tämän laajennuksen vuoksi.

esimerkit

Erot tilavuuden laajenemisessa voivat johtaa mielenkiintoisiin vaikutuksiin huoltoasemalla. Esimerkki on bensiinin tipuminen säiliöön, joka on juuri täytetty kuumana päivänä.

Bensiini jäähdyttää terässäiliön, kun se kaadetaan, ja sekä bensiini että säiliö laajenevat ympäröivän ilman lämpötilan mukana. Bensiini kuitenkin laajenee paljon nopeammin kuin teräs, jolloin se vuotaa säiliöstä.

Ero paisunnassa bensiinin ja sitä sisältävän säiliön välillä voi aiheuttaa ongelmia polttoainemittarin lukemisessa. Tankissa jäljellä olevan bensiinin (massa) määrä, kun mittari saavuttaa tyhjän, on kesällä paljon vähemmän kuin talvella.

Bensiinin tilavuus on molemmilla asemilla sama, kun varoitusvalo syttyy, mutta koska bensiini laajenee kesän aikana, sen massa on pienempi.

Esimerkkinä voidaan pitää teräskaasusäiliötä, jonka tilavuus on 60L. Jos säiliön ja bensiinin lämpötila on 15ºC, kuinka paljon bensiiniä valuu, kun ne saavuttavat lämpötilan 35ºC?

Tankin ja bensiinin tilavuus kasvaa lämpötilan nousun vuoksi, mutta bensiinin määrä kasvaa enemmän kuin säiliön. Joten vuotanut bensiini on ero tilavuuden muutoksissa. Tilavuuden laajenemisyhtälöä voidaan sitten käyttää laskemaan tilavuuden muutokset:

Lämpötilan nousun kautta valunut tilavuus on sitten:

Yhdistämällä nämä 3 yhtälöä yhdessä, meillä on:

Taulukosta 2 saadaan tilavuuslaajennuskertoimen arvot korvaamalla arvot:

Vaikka tämä valunut bensiinin määrä on suhteellisen merkityksetön verrattuna 60 litran säiliöön, vaikutus on yllättävä, koska bensiini ja teräs laajenevat nopeasti.

bibliografia

1. Jeni Ho Cho, Taylor R. Kiinteiden aineiden lämpölaajennus ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Solid State Physics: Johdatus materiaalitieteen periaatteisiin Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Fysiikka, osa 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Klassisen fysiikan elementit Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Lämpö ja termodynamiikka. Toimituksellinen Aguilar, 1979.