Co je objemová dilatace? (S příklady)

Objemová dilatace je fyzikální jev, který implikuje změnu ve třech rozměrech těla. Objem nebo rozměry většiny látek se zvyšují při vystavení teplu; Jedná se o jev známý jako tepelná roztažnost, existují však i látky, které se při zahřívání stahují.

I když jsou objemové změny pro pevné látky relativně malé, mají velký technický význam, zejména v situacích, kdy je žádoucí spojit materiály, které expandují jiným způsobem..

Tvar některých pevných látek trpí zkreslením při zahřívání a může expandovat v některých směrech a uzavřít smlouvu v jiných. Pokud však existuje pouze dilatace v určitém počtu dimenzí, existuje pro tyto rozšíření klasifikace:

• Lineární dilatace nastává, když převažuje variace v určitém rozměru, jako je délka, šířka nebo výška těla.
• Povrchová dilatace je ta, kde převažuje variace ve dvou ze tří dimenzí.
• Konečně, objemová dilatace předpokládá změnu ve třech rozměrech těla.

Index

• 1 Základní pojmy týkající se tepelné roztažnosti
  • 1.1 Tepelná energie
  • 1.2 Teplo
  • 1.3 Teplota
• 2 Jaké jsou základní vlastnosti tepelné roztažnosti?
• 3 Jaká je základní příčina tepelné roztažnosti?
  • 3.1 Lineární expanze
  • 3.2 Dilatace povrchu
  • 3.3 Objemová dilatace
• 4 Příklady
• 5 Bibliografie

Základní pojmy týkající se tepelné roztažnosti

Tepelná energie

Hmota je tvořena atomy, které jsou v nepřetržitém pohybu, pohyblivé nebo vibrační. Kinetická energie (nebo pohyb), se kterou se atomy pohybují, se nazývá tepelná energie, tím rychleji se pohybují, tím více tepelné energie mají.

Teplo

Teplo je tepelná energie přenášená mezi dvěma nebo více látkami nebo z jedné látky na druhou v makroskopickém měřítku. To znamená, že horké tělo se může vzdát části své tepelné energie a ovlivnit tělo v jeho blízkosti.

Množství přenesené tepelné energie závisí na povaze blízkého těla a médiu, které je odděluje.

Teplota

Koncept teploty je zásadní pro studium účinků tepla, teplota těla je mírou jeho schopnosti přenášet teplo do jiných těles.

Dvě tělesa ve vzájemném kontaktu nebo oddělená vhodným médiem (tepelným vodičem) budou mít stejnou teplotu, pokud mezi nimi není žádný tok tepla. Stejně tak tělo X bude nalezeno při teplotě vyšší, než je teplota tělesa a jestliže teplo proudí z X do Y.

Jaké jsou základní vlastnosti tepelné roztažnosti?

Jasně souvisí se změnou teploty, čím vyšší je teplota, tím větší je expanze. To také závisí na vnitřní struktuře materiálu, v teploměru, expanze rtuti je hodně větší než expanze skla, které obsahuje to \ t.

Jaká je základní příčina tepelné roztažnosti?

Zvýšení teploty znamená zvýšení kinetické energie jednotlivých atomů v látce. V pevné látce, na rozdíl od plynu, atomy nebo molekuly jsou blízko sebe, ale jejich kinetická energie (ve formě malých a rychlých vibrací) odděluje atomy nebo molekuly od sebe navzájem..

Toto oddělení mezi sousedními atomy se stává stále větší a vede ke zvýšení velikosti pevné látky.

U většiny látek za běžných podmínek neexistuje žádný preferovaný směr, ve kterém dochází k tepelné expanzi, a zvýšení teploty zvýší velikost pevné látky o určitou frakci v každém rozměru..

Lineární dilatace

Nejjednodušším příkladem dilatace je expanze v jedné dimenzi (lineární). Experimentálně bylo zjištěno, že změna délky AL látky je úměrná změně teploty AT a počáteční délce Lo (obrázek 1). Můžeme to reprezentovat následujícím způsobem:

DL = aLoDT

kde α je koeficient proporcionality nazývaný koeficient lineární expanze a je charakteristický pro každý materiál. Některé hodnoty tohoto koeficientu jsou uvedeny v tabulce A.

Koeficient lineární expanze je větší pro materiály, které mají větší expanzi pro každý stupeň Celsia, který zvyšuje jeho teplotu.

Povrchová dilatace

Když je rovina zaujata uvnitř pevného tělesa, takže tato rovina je ta, která prochází tepelnou roztažností (obr. 2), změna v oblasti ΔA je dána vztahem:

DA = 2aA0

kde ΔA je změna v počáteční oblasti Ao, T je změna teploty a α je koeficient lineární roztažnosti.

Objemová dilatace

Stejně jako v předchozích případech může být změna objemu AV aproximována vztahem (obr. 3). Tato rovnice je obvykle psána následovně:

DV = bVoDT

kde β je koeficient objemové expanze a je přibližně roven 3α Λα τα ßλα 2 jsou uvedeny hodnoty koeficientů objemové expanze pro některé materiály.

Obecně se látky budou zvyšovat při zvyšování teploty, nejdůležitější výjimkou z tohoto pravidla je voda. Voda roste, když se její teplota zvýší, když je vyšší než 4 ° C.

Roztahuje se však také při snižování teploty v rozsahu 4 ° C až 0 ° C. Tento efekt lze pozorovat, když je voda vložena do chladničky, voda se při zmrazování rozpíná a je obtížné extrahovat led z nádoby pomocí této expanze..

Příklady

Rozdíly v objemové dilataci mohou vést k zajímavým efektům v čerpací stanici. Příkladem je odkapávání benzínu v nádrži, která byla právě naplněna během horkého dne.

Benzín ochlazuje ocelovou nádrž, když se nalije, a jak benzín, tak i nádrž expandují s teplotou okolního vzduchu. Nicméně, benzín se rozšiřuje mnohem rychleji než ocel, a tak odkapává ven tanku.

Rozdíl v expanzi mezi benzínem a nádrží, která ho obsahuje, může způsobit problémy při čtení ukazatele hladiny paliva. Množství benzínu (hmoty), které zůstalo v nádrži, když indikátor dosáhne úrovně vakua, je v létě mnohem nižší než v zimě.

Benzín má stejný objem na obou stanicích, když se rozsvítí kontrolní světlo, ale protože benzín se během léta rozšiřuje, má nižší hmotnost.

Jako příklad může být považován za plnou ocelovou nádrž na benzín, s kapacitou 60L. Pokud je teplota nádrže a benzínu 15 ° C, kolik plynu se rozlití, když dosáhne teploty 35 ° C?

Nádrž a benzín se zvýší v důsledku zvýšení teploty, ale benzín se zvýší více než nádrž. Rozlitý benzín bude tedy rozdílem ve vašich objemových změnách. Rovnice objemové expanze pak může být použita pro výpočet objemových změn:

Objem rozlitý zvýšením teploty je pak:

Spojením těchto 3 rovnic v jednom máme:

Z tabulky 2 se získají hodnoty koeficientu objemové expanze, které nahradí hodnoty:

I když je toto množství rozlitého plynu ve srovnání s nádrží o objemu 60 litrů relativně nevýznamné, je tento efekt překvapující, protože benzín a ocel se velmi rychle rozšiřují.

Bibliografie

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Tepelná expanze solids ASM mezinárodní, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Fyzika pevných látek: Úvod do problematiky materiálových věd Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, svazek 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Prvky klasické fyziky Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Teplo a termodynamika. Redakční Aguilar, 1979.