ЩО ТАКЕ ОБ'ЄМНА ДИЛАТАЦІЯ? (ІЗ ПРИКЛАДАМИ) - ФІЗИЧНІ - 2025

Розширення обсягу - це фізичне явище, що пов'язане зі зміною трьох вимірів тіла. Обсяг або розміри більшості речовин збільшуються, коли вони піддаються нагріванню; Це явище, відоме як термічне розширення, однак є також речовини, які стискаються при нагріванні.

Хоча зміни обсягу для твердих тіл відносно невеликі, вони мають велике технічне значення, особливо в ситуаціях, коли потрібно з'єднати матеріали, які розширюються по-різному.

Форма деяких твердих речовин спотворюється при нагріванні і може розширюватися в одних напрямках і стискатися в інших. Однак, коли є лише розширення в певній кількості вимірів, існує класифікація таких розширень:

• Лінійна дилатація виникає, коли переважають певні розміри, такі як довжина, ширина або висота тіла.
• Поверхневий розширення - це те, де перевага в двох з трьох вимірів переважає.
• Нарешті, об'ємна дилатація передбачає зміну трьох вимірів тіла.

Основні поняття, пов'язані з тепловим розширенням

Термальна енергія

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

Гарячий

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

Кількість переданої теплової енергії залежить від природи тіла, що знаходиться поруч, і середовища, яке їх розділяє.

Температура

Поняття температури є основоположним для вивчення впливу тепла, температура тіла - це міра його здатності передавати тепло іншим телам.

Два тіла, що знаходяться у взаємному контакті або розділені відповідним середовищем (теплопровідник), будуть мати однакову температуру, якщо між ними немає теплового потоку. Аналогічно, тіло X буде знаходитись при більш високій температурі, ніж тіло Y, якщо тепло потече від X до Y.

Які основні властивості теплового розширення?

Він чітко пов'язаний зі зміною температури, чим вище температура, тим більше розширення. Це також залежить від внутрішньої будови матеріалу, в термометрі розширення ртуті набагато більше, ніж розширення скла, яке його містить.

Яка основна причина теплового розширення?

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

Цей поділ між сусідніми атомами стає більшим і більшим і призводить до збільшення розміру твердого тіла.

Для більшості речовин у звичайних умовах немає кращого напрямку, в якому відбувається теплове розширення, а підвищення температури збільшуватиме розмір твердого тіла на певну частку в кожному вимірі.

Лінійна дилатація

Найпростіший приклад дилатації - розширення в одному (лінійному) вимірі. Експериментально встановлено, що зміна довжини ΔL речовини пропорційна зміні температури ΔT та початкової довжини Lo (мал. 1). Ми можемо представити це таким чином:

DL = aLoDT

де α - коефіцієнт пропорційності, який називають коефіцієнтом лінійного розширення і характерний для кожного матеріалу. Деякі значення цього коефіцієнта наведені в таблиці А.

Коефіцієнт лінійного розширення вищий для матеріалів, які зазнають більшого розширення на кожен градус Цельсія, коли їх температура підвищується.

Поверхнева дилатація

Коли площина взята в твердому тілі, так що ця площина є тією, яка зазнає теплового розширення (мал. 2), зміна площі ΔA задається:

DA = 2aA0

де ΔA - зміна початкової площі Ao, T - зміна температури, а α - коефіцієнт лінійного розширення.

Об'ємна дилатація

Як і в попередніх випадках, зміна об'єму ΔV можна наблизити до співвідношення (рис. 3). Зазвичай це рівняння записується так:

DV = bVoDT

де β - коефіцієнт об'ємного розширення і приблизно дорівнює 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, наведені значення коефіцієнтів об'ємного розширення для деяких матеріалів.

Взагалі речовини будуть збільшуватися при підвищенні температури, вода є найважливішим винятком із цього правила. Вода розширюється, коли її температура збільшується, коли вона перевищує 4ºC.

Однак він також розширюється, коли його температура знижується в межах від 4 ° С до 0 ° С. Цей ефект можна спостерігати, коли вода поміщається в холодильник, вода розширюється, коли вона замерзає, і через це розширення важко вийняти лід зі своєї ємності.

Приклади

Відмінності в об'ємному розширенні можуть призвести до цікавих наслідків на АЗС. Приклад - бензин, що капає в резервуар, який щойно наповнився спекотним днем.

Бензин охолоджує сталевий резервуар при його виливанні, а і бензин, і бак розширюються при температурі навколишнього повітря. Однак бензин розширюється набагато швидше, ніж сталь, внаслідок чого він витікає з бака.

Різниця в розширенні між бензином і баком, який він містить, може спричинити проблеми під час зчитування датчика рівня палива. Кількість бензину (маси), що залишається в баку, коли датчик виходить порожнім, влітку набагато менше, ніж взимку.

Бензин має однаковий об'єм на обох станціях, коли вмикається попереджувальне світло, але оскільки бензин розширюється влітку, він має меншу масу.

Як приклад, ви можете розглянути повний сталевий газовий бак, ємністю 60 л. Якщо температура бака і бензину становить 15ºC, скільки бензину буде розлито до моменту досягнення температури 35ºC?

Бак і бензин збільшаться в об'ємі за рахунок підвищення температури, але бензин збільшиться більше, ніж резервуар. Тож розлитий бензин буде різницею ваших змін обсягу. Об'ємне рівняння розширення може бути використане для обчислення змін обсягу:

Об'єм, що розливається за рахунок підвищення температури, становить:

Комбінуючи ці 3 рівняння в одне, ми маємо:

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

Хоча ця кількість розлитого бензину порівняно незначна порівняно з 60-літровим баком, ефект дивовижний, оскільки бензин і сталь розширюються дуже швидко.

Бібліографія

1. Єн Хо Чо, Тейлор Р. Теплове розширення твердих тіл ASM International, 1998.
2. Х. Ібах, Ханс Лют Фізика твердого тіла: вступ до принципів матеріалознавства Springer Science & Business Media, 2003.
3. Халлідей Д., Реснік Р., Кран К. Фізика, Том 1. Вілі, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elements of Classical Physics Elsevier, 2013.
5. Земанський Марк В. Тепло і термодинаміка. Редакція Aguilar, 1979.