KAS IR TILPUMA DILATĀCIJA? (AR PIEMĒRIEM) - FIZISKĀ - 2025

Apjoma pieaugums ir fiziska parādība ietver izmaiņas trīs dimensijās ķermeņa. Lielākās daļas vielu tilpums vai izmēri palielinās, kad tās tiek pakļautas karstumam; Šī ir parādība, ko sauc par termisko izplešanos, tomēr ir arī vielas, kuras karsējoties saraujas.

Kaut arī cietās vielas tilpuma izmaiņas ir salīdzinoši nelielas, tām ir liela tehniska nozīme, īpaši situācijās, kad ir vēlams savienot materiālus, kas izplešas atšķirīgi.

Dažu cietvielu forma ir izkropļota, kad tiek uzkarsēta, un dažos virzienos tā var paplašināties, bet citos - sarauties. Tomēr, ja noteiktā skaitā ir tikai dilatācija, šādiem paplašinājumiem ir klasifikācija:

• Lineārā dilatācija notiek, ja dominē variācijas noteiktā dimensijā, piemēram, korpusa garumā, platumā vai augstumā.
• Virsmas dilatācija ir tāda, kurā dominē variācijas divās no trim dimensijām.
• Visbeidzot, tilpuma dilatācija nozīmē ķermeņa trīs dimensiju izmaiņas.

Pamatjēdzieni, kas saistīti ar termisko izplešanos

Siltumenerģija

Materiālu veido atomi, kas atrodas nepārtrauktā kustībā, kustībā vai vibrācijā. Kinētisko (vai kustības) enerģiju, ar kuru atomi pārvietojas, sauc par siltumenerģiju, jo ātrāk tie pārvietojas, jo vairāk siltuma enerģijas viņiem ir.

Karsts

Siltums ir siltuma enerģija, ko makroskopiskā mērogā pārnes starp divām vai vairākām vielām vai no vienas vielas porcijas uz otru. Tas nozīmē, ka karsts ķermenis var atteikties no savas siltumenerģijas daļas un ietekmēt ķermeni, kas atrodas tuvu tam.

Pārnestās siltumenerģijas daudzums ir atkarīgs no tuvējā ķermeņa rakstura un vides, kas tos atdala.

Temperatūra

Temperatūras jēdziens ir būtisks, lai izpētītu siltuma iedarbību, ķermeņa temperatūra ir tās spējas mērs, ar kādu viņa siltumu var nodot citiem ķermeņiem.

Divi ķermeņi, kas ir savstarpēji saskarē vai atdalīti ar piemērotu barotni (siltumvadītāju), būs vienā temperatūrā, ja starp tiem nav siltuma plūsmas. Līdzīgi ķermenis X būs augstākā temperatūrā nekā ķermenis Y, ja siltums plūst no X uz Y.

Kādas ir termiskās izplešanās pamatīpašības?

Tas ir skaidri saistīts ar temperatūras izmaiņām, jo ​​augstāka temperatūra, jo lielāka izplešanās. Tas ir atkarīgs arī no materiāla iekšējās struktūras, termometrā dzīvsudraba izplešanās ir daudz lielāka nekā stikla, kas to satur, izplešanās.

Kāds ir galvenais termiskās izplešanās iemesls?

Temperatūras paaugstināšanās nozīmē vielas atsevišķo atomu kinētiskās enerģijas palielināšanos. Cietā stāvoklī atšķirībā no gāzes atomi vai molekulas ir cieši kopā, bet to kinētiskā enerģija (nelielu, ātru vibrāciju veidā) atomus vai molekulas atdala viena no otras.

Šis atdalījums starp blakus esošajiem atomiem kļūst lielāks un lielāks, un tas izraisa cietās vielas lieluma palielināšanos.

Lielākajai daļai vielu parastos apstākļos nav vēlama termiskās izplešanās virziena, un, paaugstinoties temperatūrai, cietās vielas izmērs palielinās par noteiktu frakciju katrā dimensijā.

Lineārā dilatācija

Vienkāršākais dilatācijas piemērs ir izplešanās vienā (lineārā) dimensijā. Eksperimentāli tiek atklāts, ka vielas garuma izmaiņas ΔL ir proporcionālas temperatūras izmaiņām ΔT un sākotnējam garumam Lo (1. attēls). Mēs to varam pārstāvēt šādi:

DL = aLoDT

kur α ir proporcionalitātes koeficients, ko sauc par lineārās izplešanās koeficientu, un ir raksturīgs katram materiālam. Dažas šī koeficienta vērtības ir parādītas A tabulā.

Lineārā izplešanās koeficients ir lielāks materiāliem, kuriem ir lielāka izplešanās par katru Celsija grādu, kad to temperatūra paaugstinās.

Virspusēja dilatācija

Uzņemot plakni cietā ķermenī tā, lai šī plakne iziet termiski izplešanās stāvoklī (2. attēls), laukuma ΔA izmaiņas nosaka:

DA = 2aA0

kur ΔA ir izmaiņas sākotnējā apgabalā Ao, T ir temperatūras izmaiņas un α ir lineārās izplešanās koeficients.

Tilpuma dilatācija

Tāpat kā iepriekšējos gadījumos, apjoma izmaiņas ΔV var tuvināt attiecībām (3. attēls). Šo vienādojumu parasti raksta šādi:

DV = bVoDT

kur β ir apjoma izplešanās koeficients un ir aptuveni vienāds ar 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, dažu materiālu tilpuma izplešanās koeficientu vērtības ir parādītas.

Parasti paaugstinātas temperatūras ietekmē vielas paplašināsies, un ūdens ir vissvarīgākais izņēmums no šī noteikuma. Ūdens izplešas, kad tā temperatūra paaugstinās, kad tā ir augstāka par 4ºC.

Tomēr tas izplešas arī tad, ja tā temperatūra pazeminās diapazonā no 4 ° C līdz 0 ° C. Šo efektu var novērot, kad ūdeni ieliek ledusskapī, ūdens izplešas, kad tas sasalst, un šīs izplešanās dēļ no tā trauka ir grūti noņemt ledu.

Piemēri

Tilpuma izplešanās atšķirības var radīt interesantus efektus degvielas uzpildes stacijā. Piemērs ir benzīna pilēšana tvertnē, kas tikko uzpildīta karstā dienā.

Benzīns atdzesē tērauda tvertni, kad to ielej, un gan benzīns, gan tvertne izplešas līdz ar apkārtējā gaisa temperatūru. Tomēr benzīns izplešas daudz ātrāk nekā tērauds, izraisot tā noplūdi no tvertnes.

Atšķirības starp benzīnu un tvertni, kas to satur, var radīt problēmas, lasot degvielas līmeņa mērītāju. Benzīna (masas), kas paliek tvertnē, kad mērinstruments sasniedz tukšumu, vasarā ir daudz mazāk nekā ziemā.

Benzīnam abās stacijās ir vienāds tilpums, kad ieslēdzas brīdinājuma gaisma, bet, tā kā vasarā benzīns izplešas, tam ir mazāka masa.

Kā piemēru var uzskatīt pilnu tērauda tvertni ar tilpumu 60L. Ja tvertnes un benzīna temperatūra ir 15ºC, cik daudz benzīna tiks izšļakstīts, kad tie sasniegs 35ºC temperatūru?

Tvertnes un benzīna tilpums palielināsies temperatūras paaugstināšanās dēļ, bet benzīns palielināsies vairāk nekā tvertne. Tātad izlijis benzīns būs atšķirība jūsu tilpuma izmaiņās. Pēc tam tilpuma izplešanās vienādojumu var izmantot, lai aprēķinātu apjoma izmaiņas:

Tad temperatūras paaugstināšanās dēļ izlijušais tilpums ir:

Apvienojot šos 3 vienādojumus vienā, mums ir:

No 2. tabulas iegūst tilpuma izplešanās koeficienta vērtības, aizstājot vērtības:

Lai gan šis izlijušā benzīna daudzums ir salīdzinoši nenozīmīgs salīdzinājumā ar 60L tvertni, efekts ir pārsteidzošs, jo benzīns un tērauds izplešas ļoti ātri.

Bibliogrāfija

1. Jena Ho Čo, Teilore R. Cietvielu termiskā izplešanās ASM International, 1998. gads.
2. H. Ibach, Hans Lüth Cietvielu fizika: Ievads materiālzinātnes principos Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Fizika, 1. sējums. Vileijs, 2001. gads.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Klasiskās fizikas elementi, Elzevier, 2013.
5. Zemansky Marks W. Siltums un termodinamika. Redakcijas Aguilar, 1979. gads.