DYLATACJA TERMICZNA: WSPÓŁCZYNNIK, RODZAJE I ĆWICZENIA - FIZYCZNY - 2025

Rozszerzalność cieplna wzrasta lub zmienia się w różnych wymiarach metrycznych (takich jak długość lub objętość), które podlegają fizycznemu obiektowi lub ciału. Proces ten zachodzi na skutek wzrostu temperatury otaczającej materiał. W przypadku dylatacji liniowej zmiany te zachodzą tylko w jednym wymiarze.

Współczynnik tej rozszerzalności można zmierzyć porównując wartość wielkości przed i po procesie. W przypadku niektórych materiałów rozszerzalność cieplna jest odwrotna; to znaczy, staje się „negatywna”. Koncepcja ta zakłada, że ​​niektóre materiały kurczą się pod wpływem pewnych temperatur.

Rozszerzalność termiczna w wodzie

W przypadku ciał stałych do opisu ich rozszerzalności stosowany jest współczynnik rozszerzalności liniowej. Z drugiej strony dla cieczy do obliczeń stosuje się objętościowy współczynnik rozszerzalności.

W przypadku skrystalizowanych ciał stałych, jeśli jest to izometryczne, ekspansja będzie ogólna we wszystkich wymiarach kryształu. Jeśli nie jest izometryczny, w całym szkle można znaleźć różne współczynniki rozszerzalności, które zmieniają się wraz ze zmianą temperatury.

Współczynnik dylatacji termicznej

Współczynnik rozszerzalności cieplnej (Y) definiuje się jako promień zmiany, przez który przeszedł materiał w wyniku zmiany jego temperatury. Współczynnik ten jest reprezentowany przez symbol α dla ciał stałych i β dla cieczy i jest wyznaczany przez Międzynarodowy Układ Jednostek.

Współczynniki rozszerzalności cieplnej są różne, jeśli chodzi o ciało stałe, ciecz lub gaz. Każdy ma inną osobliwość.

Na przykład rozszerzenie ciała stałego można zobaczyć na całej długości. Współczynnik objętościowy jest jednym z najbardziej podstawowych pod względem płynów, a zmiany są zauważalne we wszystkich kierunkach; Współczynnik ten jest również używany przy obliczaniu rozszerzalności gazu.

Ujemna rozszerzalność cieplna

Ujemna rozszerzalność cieplna występuje w niektórych materiałach, które zamiast zwiększać swoje rozmiary pod wpływem wysokich temperatur, kurczą się pod wpływem niskich temperatur.

Ten rodzaj rozszerzalności cieplnej jest zwykle obserwowany w układach otwartych, w których obserwuje się oddziaływania kierunkowe - jak w przypadku lodu - lub w związkach złożonych - tak jak ma to miejsce w przypadku niektórych zeolitów, między innymi Cu2O.

Podobnie, niektóre badania wykazały, że ujemna rozszerzalność cieplna występuje również w sieciach jednoskładnikowych w zwartej formie i przy centralnym oddziaływaniu sił.

Wyraźny przykład ujemnej rozszerzalności cieplnej można zobaczyć, gdy dodamy lód do szklanki wody. W tym przypadku wysoka temperatura cieczy na lodzie nie powoduje żadnego wzrostu wielkości, a raczej zmniejsza rozmiar lodu.

Rodzaje

Przy obliczaniu rozszerzalności obiektu fizycznego należy wziąć pod uwagę, że w zależności od zmiany temperatury obiekt ten może się zwiększać lub zmniejszać.

Niektóre obiekty nie wymagają drastycznej zmiany temperatury, aby zmienić swój rozmiar, więc jest prawdopodobne, że wartość zwracana przez obliczenia jest średnia.

Jak każdy proces, rozszerzalność cieplna jest podzielona na kilka typów, które wyjaśniają każde zjawisko oddzielnie. W przypadku ciał stałych typy rozszerzalności cieplnej to rozszerzalność liniowa, rozszerzalność objętościowa i rozszerzalność powierzchniowa.

Dylatacja liniowa

W dylatacji liniowej dominuje pojedyncza zmiana. W tym przypadku jedyną jednostką, która ulega zmianie, jest wysokość lub szerokość obiektu.

Łatwym sposobem obliczenia tego typu dylatacji jest porównanie wartości wielkości przed zmianą temperatury z wartością wielkości po zmianie temperatury.

Dylatacja wolumetryczna

W przypadku rozszerzalności objętościowej sposób jej obliczenia polega na porównaniu objętości płynu przed zmianą temperatury z objętością płynu po zmianie temperatury. Wzór do obliczenia tego jest następujący:

Poszerzenie powierzchni lub obszaru

W przypadku dylatacji powierzchni obserwuje się wzrost powierzchni ciała lub przedmiotu w wyniku zmiany jego temperatury o 1 ° C.

To rozszerzenie działa dla brył. Jeśli mamy również współczynnik liniowy, widzimy, że rozmiar obiektu będzie 2 razy większy. Wzór do obliczenia tego jest następujący:

A _f = A ₀

W tym wyrażeniu:

γ = współczynnik rozszerzalności powierzchni

A ₀ = obszar początkowy

A _f = obszar końcowy

T ₀ = temperatura początkowa.

T _f = temperatura końcowa

Różnica między rozszerzeniem powierzchni a rozszerzeniem liniowym polega na tym, że w pierwszej z nich widać wzrost zmiany powierzchni obiektu, aw drugiej zmiana dotyczy pojedynczej jednostki miary (takiej jak długość lub szerokość obiektu fizycznego).

Przykłady

Pierwsze ćwiczenie (dylatacja liniowa)

Szyny tworzące tor pociągu wykonane ze stali mają długość 1500 m. Jaka będzie długość geograficzna, gdy temperatura wzrośnie z 24 do 45 ° C?

Rozwiązanie

Dane:

Lο (długość początkowa) = 1500 m

L _f (długość końcowa) =?

Tο (temperatura początkowa) = 24 ° C

T _f (temperatura końcowa) = 45 ° C

α (współczynnik rozszerzalności liniowej odpowiadający stali) = 11 x ^10-6 ° C ^-1

Dane są podstawiane w następującym wzorze:

Jednak najpierw musisz znać wartość różnicy temperatur, aby uwzględnić te dane w równaniu. Aby osiągnąć tę różnicę, najwyższą temperaturę należy odjąć od najniższej.

Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C

Gdy te informacje są znane, można użyć poprzedniej formuły:

Lf = 1500 m (1 + 21 ° C. 11 x ^10-6 ° C ^-1 )

Lf = 1500 m (1 + 2,31 x ^10-4 )

Lf = 1500 m (1000231)

Lf = 1500,3465 m

Drugie ćwiczenie (powierzchowne rozszerzenie)

W liceum sklep ze szkłem ma powierzchnię 1,4 m ^ 2, jeśli temperatura wynosi 21 ° C. Jaka będzie jego końcowa powierzchnia, gdy temperatura wzrośnie do 35 ° C?

Rozwiązanie

Af = A0

Af = 1,4 m ² 204,4 x ^10-6 ]

Af = 1,4 m ² . 1,0002044

Af = 1,40028616 m ²

Dlaczego dochodzi do dylatacji?

Wszyscy wiedzą, że cały materiał składa się z różnych cząstek subatomowych. Zmieniając temperaturę, podnosząc ją lub obniżając, atomy te rozpoczynają proces ruchu, który może modyfikować kształt obiektu.

Gdy temperatura wzrośnie, cząsteczki zaczną szybko się poruszać z powodu wzrostu energii kinetycznej, a tym samym kształt lub objętość obiektu wzrośnie.

W przypadku temperatur ujemnych dzieje się odwrotnie, w tym przypadku objętość obiektu ma tendencję do kurczenia się z powodu niskich temperatur.

Bibliografia

1. Rozszerzanie liniowe, powierzchowne i wolumetryczne - ćwiczenia. Rozwiązany Odzyskany 8 maja 2018 r. Z Fisimat: fisimat.com.mx
2. Powierzchowne poszerzenie - rozwiązane ćwiczenia. Pobrane 8 maja 2018 r.Z Fisimat: fisimat.com.mx
3. Rozszerzalność cieplna. Pobrane 8 maja 2018 r. Z Encyclopædia Britannica: britannica.com
4. Rozszerzalność cieplna. Pobrane 8 maja 2018 r. Z Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Rozszerzalność cieplna. Pobrane 8 maja 2018 r. Z Lumen Learning: course.lumenlearning.com
6. Rozszerzalność cieplna. Pobrane 8 maja 2018 r. Z The Physics Hypertextbook: physics.info
7. Rozszerzalność cieplna. Pobrane 8 maja 2018 z Wikipedii: en.wikipedia.org.