Mis on ruumiline laienemine? (Näidetega)



Volumetriline laienemine on füüsiline nähtus, mis eeldab keha kolme mõõtme varieerumist. Enamiku ainete maht või mõõtmed suurenevad kuumutamisel; See on nähtus, mida nimetatakse soojuspaisumiseks, kuid on ka aineid, mis kuumenevad.

Kuigi mahu muutused on tahkete ainete puhul suhteliselt väikesed, on neil suur tehniline tähtsus, peamiselt olukordades, kus soovitakse ühendada teistsugusel viisil laienevaid materjale..

Mõnede tahkete ainete kuju on kuumutamisel moonutatud ja võib mõnedes suundades laieneda ja teistega kokku leppida. Kui aga teatud mõõtmete laiendamisel on ainult laienemine, on olemas selline laiendamine:

  • Lineaarne dilatatsioon toimub siis, kui domineerib varieerumine teatud mõõtmetes, näiteks keha pikkus, laius või kõrgus.
  • Pealiskaudne laienemine on see, kus domineerib nende kolme mõõtme kahes erinevuses.
  • Lõpuks tähendab ruumiline laienemine keha kolme mõõtme variatsiooni.

Indeks

  • 1 Soojuspaisumise põhimõtted
    • 1.1 Soojusenergia
    • 1.2 Kuum
    • 1.3 Temperatuur
  • 2 Millised on soojuspaisumise põhilised omadused?
  • 3 Mis on soojuspaisumise peamine põhjus?
    • 3.1 Lineaarne laienemine
    • 3.2 Pinna laienemine
    • 3.3 Volumetriline laienemine
  • 4 Näited
  • 5 Bibliograafia

Soojuspaisumise põhimõtted

Soojusenergia

Aine koosneb aatomitest, mis on pidevas liikumises, kas liikuvad või vibreerivad. Kineetilist energiat (või liikumist), millega aatomid liiguvad, nimetatakse soojusenergiaks, seda kiiremini nad liiguvad, seda rohkem soojusenergiat nad omavad.

Kuumuta

Soojusenergia on kahe või enama aine või ühest ainest teise makroskoopilisel skaalal ülekantav soojusenergia. See tähendab, et kuuma keha võib loobuda osast oma soojusenergiast ja mõjutada selle lähedal olevat keha.

Ülekantud soojusenergia kogus sõltub lähedal asuva keha olemusest ja neid eraldavast keskkonnast.

Temperatuur

Temperatuuri mõiste on oluline soojuse mõju uurimiseks, keha temperatuur on selle võime mõõta soojust teistele kehadele..

Kaks omavahel kokku puutuvat või sobiva söötmega eraldatud keha (soojusjuht) on samal temperatuuril, kui nende vahel ei ole soojust. Samuti leitakse keha X keha kõrgemal temperatuuril ja kui soojus voolab X-st Y-le.

Millised on soojuspaisumise põhilised omadused?

See on selgelt seotud temperatuurimuutusega, seda kõrgem on temperatuur, seda suurem on laienemine. See sõltub ka materjali sisemisest struktuurist, termomeetrist, elavhõbeda laienemine on palju suurem kui seda sisaldav klaas..

Mis on soojuspaisumise peamine põhjus?

Temperatuuri tõus tähendab aine aatomite kineetilise energia suurenemist. Tahkes, erinevalt gaasist, on aatomid või molekulid tihedalt koos, kuid nende kineetiline energia (väikeste ja kiirete vibratsioonide kujul) eraldab aatomid või molekulid üksteisest.

Selline naabruses olevate aatomite eraldamine muutub üha suuremaks ja selle tulemuseks on tahke aine suuruse suurenemine.

Enamike tavapärastes tingimustes esinevate ainete puhul ei ole soojuspaisumise eelistatud suunda ning temperatuuri tõus suurendab tahke aine suurust teatud mõõtmetega igas mõõtmes..

Lineaarne dilatatsioon

Lihtsaim näide laienemisest on laienemine ühes dimensioonis (lineaarne). Eksperimentaalselt leiti, et aine pikkuse muutus ΔL on proportsionaalne temperatuuri muutumisega ΔT ja esialgse pikkusega Lo (joonis 1). Me saame seda esindada järgmiselt:

DL = aLoDT

kus α on proportsionaalsuskoefitsient, mida nimetatakse lineaarse laienemise koefitsiendiks ja mis on iseloomulik igale materjalile. Selle koefitsiendi mõned väärtused on esitatud tabelis A.

Lineaarse laienemise koefitsient on suurem materjalide puhul, mis kogevad iga kraadi võrra suuremat laienemist, mis tõuseb selle temperatuuri.

Pinna dilatatsioon

Kui tasapind võetakse tahke keha sisse, nii et see tasand on see, mis läbib soojuspaisumise (joonis 2), annab piirkonna muutuse ΔA:

DA = 2aA0

kus ΔA on muutus algses piirkonnas Ao, T on temperatuuri muutus ja α on lineaarse laienemise koefitsient.

Volumetriline laienemine

Nagu varasematel juhtudel, võib ruumala ΔV muutus olla lähedane suhtega (joonis 3). See võrrand on tavaliselt kirjutatud järgmiselt:

DV = bVoDT

kus β on volumetrilise laienemise koefitsient ja on ligikaudu võrdne 3α αατα βλα 2 -ga, näidatakse mõnede materjalide mahulise laienduse koefitsientide väärtusi.

Üldiselt laienevad ained temperatuuri tõusul, vesi on selle reegli kõige olulisem erand. Vesi paisub, kui selle temperatuur tõuseb üle 4 ° C.

Kuid see laieneb ka siis, kui temperatuur langeb vahemikus 4 ° C kuni 0 ° C. Seda efekti võib täheldada, kui vesi on külmkapis, vesi külmub külmumisel ja jääd on selle laiendamise tõttu raske mahutist välja tõmmata..

Näited

Mahulise laienemise erinevused võivad põhjustada huvipakkuvaid efekte bensiinijaamas. Näiteks on bensiini tilgutus paagis, mis on just kuumaks päevaks täidetud.

Bensiin jahutab terasest paaki, kui see on valatud, ja nii bensiin kui ka paak laienevad ümbritseva õhu temperatuuriga. Kuid bensiin laieneb palju kiiremini kui teras ja tilgub seega paagist välja.

Bensiini ja selle mahuti vahelise laienemise erinevus võib põhjustada kütusetaseme indikaatori lugemisel probleeme. Tanklasse jäänud bensiini (massi) kogus, kui indikaator jõuab vaakumi tasemeni, on suvel palju madalam kui talvel.

Bensiini maht on mõlemas jaamas samasugune, kui hoiatustuli süttib, kuid kuna bensiin laieneb suvel, on selle mass väiksem.

Näiteks võib seda pidada täielikuks terasest bensiinipaagiks, mille võimsus on 60L. Kui paagi ja bensiini temperatuur on 15 ° C, siis kui palju gaasi voolab 35 ° C-ni.?

Paagi ja bensiini maht suureneb temperatuuri tõusu tõttu, kuid bensiin suurendab rohkem kui paak. Niisiis on voolanud bensiini erinevus teie helitugevuse muutustes. Volumeetrilise laienduse võrrandit saab seejärel kasutada helitugevuse muutuste arvutamiseks:

Temperatuuri tõusust välja voolanud maht on siis:

Nende kolme võrrandi üheskoos kombineerimisel on meil:

Tabelist 2 saadakse mahulise laienduse koefitsiendi väärtused, asendades väärtused:

Kuigi see kogus mahaläinud gaasi on suhteliselt väike, võrreldes 60-liitrise paagiga, on efekt üllatav, sest bensiin ja teras on väga kiire.

Bibliograafia

  1. Yen Ho Cho, Taylor R. Tahkete osakeste termiline laiendamine ASM International, 1998.
  2. H. Ibach, Hans Lüth tahkisfüüsika: Sissejuhatus materjaliteaduse põhimõtetesse Springer Science & Business Media, 2003.
  3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, 1. köide, Wiley, 2001.
  4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Klassikalise füüsika elemendid Elsevier, 2013.
  5. Zemansky Mark W. Heat ja termodünaamika. Editorial Aguilar, 1979.