CO TO JEST DYLATACJA WOLUMETRYCZNA? (Z PRZYKŁADAMI) - FIZYCZNY - 2025

Rozszerzenie objętości jest zjawiskiem fizycznym obejmującym zmianę trzech wymiarów ciała. Objętość lub wymiary większości substancji zwiększają się, gdy są poddawane działaniu ciepła; Jest to zjawisko znane jako rozszerzalność cieplna, jednak istnieją również substancje, które kurczą się po podgrzaniu.

Chociaż zmiany objętości są stosunkowo niewielkie w przypadku ciał stałych, mają one duże znaczenie techniczne, zwłaszcza w sytuacjach, w których pożądane jest łączenie materiałów o różnym rozszerzaniu.

Kształt niektórych ciał stałych jest zniekształcony po podgrzaniu i może rozszerzać się w niektórych kierunkach i kurczyć w innych. Jeśli jednak dylatacja występuje tylko w określonej liczbie wymiarów, istnieje klasyfikacja takich rozszerzeń:

• Dylatacja liniowa występuje, gdy przeważają odchylenia w określonym wymiarze, takim jak długość, szerokość lub wysokość ciała.
• Dylatacja powierzchni to taka, w której przeważają odchylenia w dwóch z trzech wymiarów.
• Wreszcie, dylatacja wolumetryczna pociąga za sobą zmianę trzech wymiarów ciała.

Podstawowe pojęcia związane z rozszerzalnością cieplną

Energia cieplna

Materia składa się z atomów, które są w ciągłym ruchu, poruszają się lub wibrują. Energia kinetyczna (lub ruchu), z jaką poruszają się atomy, nazywana jest energią cieplną, im szybciej się poruszają, tym więcej mają energii cieplnej.

Gorąco

Ciepło to energia cieplna przenoszona między dwiema lub więcej substancjami lub z jednej porcji substancji na drugą w skali makroskopowej. Oznacza to, że gorące ciało może oddać część swojej energii cieplnej i wpłynąć na ciało znajdujące się w jego pobliżu.

Ilość przekazywanej energii cieplnej zależy od charakteru pobliskiego ciała i środowiska, które je dzieli.

Temperatura

Pojęcie temperatury ma fundamentalne znaczenie dla badania wpływu ciepła, temperatura ciała jest miarą jego zdolności do przenoszenia ciepła do innych ciał.

Dwa ciała stykające się ze sobą lub oddzielone odpowiednim medium (przewodnikiem ciepła) będą miały tę samą temperaturę, jeśli nie będzie między nimi przepływu ciepła. Podobnie ciało X będzie miało wyższą temperaturę niż ciało Y, jeśli ciepło przepływa od X do Y.

Jakie są podstawowe właściwości rozszerzalności cieplnej?

Jest to wyraźnie związane ze zmianą temperatury, im wyższa temperatura, tym większa ekspansja. Zależy to również od wewnętrznej struktury materiału, w termometrze ekspansja rtęci jest znacznie większa niż rozszerzalność szkła, które ją zawiera.

Jaka jest podstawowa przyczyna rozszerzalności cieplnej?

Wzrost temperatury implikuje wzrost energii kinetycznej poszczególnych atomów substancji. W ciele stałym, w przeciwieństwie do gazu, atomy lub cząsteczki są blisko siebie, ale ich energia kinetyczna (w postaci małych, szybkich wibracji) oddziela atomy lub cząsteczki od siebie.

Ta separacja między sąsiednimi atomami staje się coraz większa i powoduje wzrost wielkości ciała stałego.

W przypadku większości substancji w zwykłych warunkach nie ma preferowanego kierunku, w którym zachodzi rozszerzalność cieplna, a wzrost temperatury zwiększy rozmiar ciała stałego o określoną frakcję w każdym wymiarze.

Dylatacja liniowa

Najprostszym przykładem dylatacji jest rozszerzanie w jednym (liniowym) wymiarze. Eksperymentalnie stwierdzono, że zmiana długości ΔL substancji jest proporcjonalna do zmiany temperatury ΔT i początkowej długości Lo (rysunek 1). Możemy to przedstawić w następujący sposób:

DL = aLoDT

gdzie α jest współczynnikiem proporcjonalności zwanym współczynnikiem rozszerzalności liniowej i jest charakterystyczny dla każdego materiału. Niektóre wartości tego współczynnika przedstawiono w tabeli A.

Współczynnik rozszerzalności liniowej jest wyższy dla materiałów, które ulegają większemu rozszerzeniu o każdy stopień Celsjusza, w którym rośnie ich temperatura.

Powierzchowne rozszerzenie

Kiedy płaszczyzna jest przyjmowana w ciele stałym, tak że jest to płaszczyzna podlegająca rozszerzalności cieplnej (Rysunek 2), zmiana pola powierzchni ΔA jest wyrażona wzorem:

DA = 2aA0

gdzie ΔA to zmiana w początkowej powierzchni Ao, T to zmiana temperatury, a α to współczynnik rozszerzalności liniowej.

Dylatacja wolumetryczna

Podobnie jak w poprzednich przypadkach, zmianę objętości ΔV można przybliżyć zależnością (rysunek 3). To równanie jest zwykle zapisywane w następujący sposób:

DV = bVoDT

gdzie β jest współczynnikiem rozszerzalności objętościowej i jest w przybliżeniu równe 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, pokazano wartości współczynników rozszerzalności objętościowej dla niektórych materiałów.

Ogólnie rzecz biorąc, substancje rozszerzają się wraz ze wzrostem temperatury, a woda jest najważniejszym wyjątkiem od tej reguły. Woda rozszerza się, gdy jej temperatura wzrasta, gdy jest wyższa niż 4ºC.

Jednak rozszerza się również, gdy jego temperatura spada w zakresie od 4 ° C do 0 ° C. Efekt ten można zaobserwować, gdy woda jest włożona do lodówki, woda rozszerza się, gdy zamarza i trudno jest usunąć lód z pojemnika z powodu tego rozszerzenia.

Przykłady

Różnice w rozszerzalności wolumetrycznej mogą prowadzić do ciekawych efektów na stacji benzynowej. Przykładem jest benzyna kapiąca do zbiornika, który właśnie został napełniony w upalny dzień.

Benzyna chłodzi stalowy zbiornik podczas nalewania, a zarówno benzyna, jak i zbiornik rozszerzają się wraz z temperaturą otaczającego powietrza. Jednak benzyna rozszerza się znacznie szybciej niż stal, powodując wyciek ze zbiornika.

Różnica w rozszerzalności między benzyną a zawierającym ją zbiornikiem może powodować problemy podczas odczytu wskaźnika poziomu paliwa. Ilość benzyny (masa) pozostająca w zbiorniku przy pustym wskaźniku jest latem znacznie mniejsza niż zimą.

Benzyna ma taką samą objętość na obu stacjach, gdy zapala się lampka ostrzegawcza, ale ponieważ benzyna rozszerza się latem, ma mniejszą masę.

Jako przykład można wziąć pod uwagę pełny stalowy zbiornik gazu o pojemności 60 litrów. Jeśli temperatura zbiornika i benzyny wynosi 15 ° C, ile benzyny zostanie rozlane, zanim osiągną temperaturę 35 ° C?

Zbiornik i benzyna zwiększą swoją objętość z powodu wzrostu temperatury, ale benzyna wzrośnie bardziej niż zbiornik. Więc rozlana benzyna będzie różnicą w zmianach objętości. Równanie rozszerzalności objętościowej można następnie wykorzystać do obliczenia zmian objętości:

Objętość rozlana przez wzrost temperatury wynosi zatem:

Łącząc te 3 równania w jedno, otrzymujemy:

Z tabeli 2 otrzymujemy wartości współczynnika rozszerzalności objętościowej zastępując wartości:

Chociaż ta ilość rozlanej benzyny jest stosunkowo niewielka w porównaniu ze zbiornikiem o pojemności 60 litrów, efekt jest zaskakujący, ponieważ benzyna i stal rozszerzają się bardzo szybko.

Bibliografia

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Thermal Expansion of Solids ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Material Science Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, tom 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elementy fizyki klasycznej Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Ciepło i termodynamika. Od redakcji Aguilar, 1979.