HVAD ER VOLUMETRISK UDVIDELSE? (MED EKSEMPLER) - FYSISK - 2025

Den ekspansionsvolumenet er et fysisk fænomen, der involverer en ændring i de tre dimensioner af et legeme. Volumen eller dimensioner af de fleste stoffer øges, når de udsættes for varme; Dette er et fænomen kendt som termisk ekspansion, men der er også stoffer, der trækker sig sammen, når de opvarmes.

Selvom volumenændringerne er relativt små for faste stoffer, er de af stor teknisk betydning, især i situationer, hvor det ønskes at sammenføje materialer, der ekspanderer forskelligt.

Formen på nogle faste stoffer forvrænges ved opvarmning og kan ekspandere i nogle retninger og trække sig sammen i andre. Når der kun er dilatation i et vist antal dimensioner, er der en klassificering for sådanne udvidelser:

• Lineær udvidelse forekommer, når variation i en bestemt dimension dominerer, såsom længden, bredden eller højden af ​​kroppen.
• Overfladedilatation er en, hvor variation i to af de tre dimensioner dominerer.
• Endelig indebærer volumetrisk udvidelse en variation i de tre dimensioner af en krop.

Grundlæggende koncepter relateret til termisk ekspansion

Termisk energi

Materiet består af atomer, der er i kontinuerlig bevægelse, enten bevægende eller vibrerende. Den kinetiske (eller bevægelses) energi, som atomer bevæger sig med kaldes termisk energi, jo hurtigere de bevæger sig, jo mere termisk energi har de.

Hed

Varme er den termiske energi, der overføres mellem to eller flere stoffer eller fra en del af stoffet til en anden i en makroskopisk skala. Dette betyder, at et varmt legeme kan opgive en del af sin termiske energi og påvirke et legeme tæt på det.

Mængden af ​​overført varmeenergi afhænger af arten af ​​det nærliggende krop og det miljø, der adskiller dem.

Temperatur

Konceptet med temperatur er grundlæggende for at studere virkningerne af varme, temperaturen i et legeme er målet for dets evne til at overføre varme til andre kroppe.

To organer, der er i gensidig kontakt eller adskilt af et passende medium (varmeleder), vil være ved den samme temperatur, hvis der ikke er nogen varmestrømning mellem dem. Tilsvarende vil et legeme X have en højere temperatur end et legeme Y, hvis varmen strømmer fra X til Y.

Hvad er de grundlæggende egenskaber ved termisk ekspansion?

Det er klart relateret til en ændring i temperatur, jo højere temperatur, jo større er ekspansionen. Det afhænger også af materialets indre struktur, i et termometer er ekspansionen af ​​kviksølv meget større end ekspansionen af ​​det glas, der indeholder det.

Hvad er den grundlæggende årsag til termisk ekspansion?

En stigning i temperaturen indebærer en stigning i den kinetiske energi hos de enkelte atomer i et stof. I et fast stof, i modsætning til en gas, er atomerne eller molekylerne tæt sammen, men deres kinetiske energi (i form af små, hurtige vibrationer) adskiller atomer eller molekyler fra hinanden.

Denne adskillelse mellem tilstødende atomer bliver større og større og resulterer i en stigning i størrelsen på det faste stof.

For de fleste stoffer under almindelige forhold er der ingen foretrukken retning, i hvilken termisk ekspansion finder sted, og stigende temperatur øger størrelsen på det faste stof med en bestemt fraktion i hver dimension.

Lineær udvidelse

Det enkleste eksempel på udvidelse er ekspansion i en (lineær) dimension. Eksperimentelt har det vist sig, at ændringen i længde ΔL af et stof er proportional med ændringen i temperatur ΔT og den indledende længde Lo (figur 1). Vi kan repræsentere dette på følgende måde:

DL = aLoDT

hvor α er en proportionalitetskoefficient kaldet lineær ekspansionskoefficient og er karakteristisk for hvert materiale. Nogle værdier for denne koefficient er vist i tabel A.

Koefficienten for lineær ekspansion er højere for materialer, der oplever større ekspansion for hver grad Celsius, som deres temperatur stiger.

Overfladisk udvidelse

Når man tager et plan inden for et solidt legeme, så dette plan er det, der gennemgår termisk ekspansion (figur 2), er ændringen i område ΔA givet ved:

DA = 2aA0

hvor ΔA er ændringen i det oprindelige område Ao, T er ændringen i temperatur, og α er koefficienten for lineær ekspansion.

Volumetrisk udvidelse

Som i de foregående tilfælde kan ændringen i volumen ΔV tilnærmes med forholdet (figur 3). Denne ligning er normalt skrevet som følger:

DV = bVoDT

hvor ß er den volumetriske ekspansionskoefficient og er omtrent lig med 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, vises værdierne af de volumetriske ekspansionskoefficienter for nogle materialer.

Generelt vil stoffer ekspandere under en stigning i temperatur, idet vand er den vigtigste undtagelse fra denne regel. Vand udvides, når temperaturen stiger, når det er større end 4 ° C.

Den udvides imidlertid også, når dens temperatur falder i området fra 4 ° C til 0 ° C. Denne effekt kan observeres, når vand sættes i et køleskab, vandet ekspanderer, når det fryser, og det er vanskeligt at fjerne isen fra dens beholder på grund af denne ekspansion.

eksempler

Forskelle i volumetrisk ekspansion kan føre til interessante effekter på en tankstation. Et eksempel er benzin, der drypper ned i en tank, der lige er blevet fyldt på en varm dag.

Benzin afkøler ståltanken, når den hældes, og både benzin og tank udvides med temperaturen i den omgivende luft. Benzin udvides imidlertid meget hurtigere end stål, hvilket får den til at lækker ud af tanken.

Forskellen i ekspansion mellem benzin og tanken, der indeholder den, kan forårsage problemer, når man læser brændstofniveaumåleren. Mængden af ​​benzin (masse), der er tilbage i en tank, når måleren når tom, er meget mindre om sommeren end om vinteren.

Benzin har samme lydstyrke i begge stationer, når advarselslampen lyser, men fordi benzin udvides i løbet af sommeren, har den en lavere masse.

Som et eksempel kan du overveje en komplet ståltank med en kapacitet på 60L. Hvis temperaturen på tanken og benzin er 15 ºC, hvor meget benzin spildes, når de når en temperatur på 35 ºC?

Tank og benzin øges i volumen på grund af stigningen i temperatur, men benzin øges mere end tanken. Så den spildte benzin vil være forskellen i dine volumenændringer. Den volumetriske ekspansionsligning kan derefter bruges til at beregne volumenændringerne:

Det volumen, der spildes af stigningen i temperatur, er derefter:

Ved at kombinere disse 3 ligninger i en, har vi:

Fra tabel 2 opnås værdierne for den volumetriske ekspansionskoefficient, der erstatter værdier:

Selvom denne mængde spildt benzin er relativt ubetydelig sammenlignet med en 60L-tank, er effekten overraskende, da benzin og stål ekspanderer meget hurtigt.

Bibliografi

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Thermal Expansion of Solids ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Solid-state Physics: En introduktion til principper for materialevidenskab Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, bind 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elements of Classical Physics Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Varme og termodynamik. Redaktion Aguilar, 1979.