Hvad er volumetrisk dilation? (Med eksempler)



Volumetrisk dilation er et fysisk fænomen, der indebærer en variation i kroppens tre dimensioner. Volumen eller dimensioner af de fleste stoffer stiger, når de udsættes for varme; Dette er et fænomen kendt som termisk ekspansion, men der er også stoffer, der kontraherer, når de opvarmes.

Selv om volumenændringerne er forholdsvis små for faste stoffer, er de af stor teknisk betydning, især i situationer hvor det er ønskeligt at tilslutte materialer, som udvider på en anden måde..

Formen af ​​nogle faste stoffer lider fordrejning ved opvarmning og kan udvides i nogle retninger og kontrakt i andre. Men når der kun er udvidelse i et vist antal dimensioner, er der en klassificering for sådanne udvidelser:

  • Lineær udvidelse opstår, når variationen i en bestemt dimension overhovedet, såsom længden, bredden eller højden af ​​kroppen.
  • Den overfladiske dilation er den, hvor variationen i to af de tre dimensioner dominerer.
  • Endelig indebærer volumetrisk dilation en variation i kroppens tre dimensioner.

indeks

  • 1 Grundlæggende begreber relateret til termisk ekspansion
    • 1.1 Termisk energi
    • 1.2 Varme
    • 1.3 Temperatur
  • 2 Hvad er de grundlæggende egenskaber ved termisk ekspansion?
  • 3 Hvad er den grundlæggende årsag til termisk ekspansion?
    • 3.1 Lineær ekspansion
    • 3.2 Overflade dilation
    • 3.3 Volumetrisk dilation
  • 4 eksempler
  • 5 Bibliografi

Grundlæggende begreber relateret til termisk ekspansion

Termisk energi

Materie består af atomer, der er i kontinuerlig bevægelse, enten bevægende eller vibrerende. Den kinetiske energi (eller bevægelsen) med hvilken atomer bevæger sig kaldes termisk energi, jo hurtigere de bevæger sig, desto mere termisk energi har de.

hede

Varme er den termiske energi, der overføres mellem to eller flere stoffer eller fra et stof til et andet i makroskopisk skala. Det betyder, at en varm krop kan opgive en del af sin termiske energi og påvirke en krop tæt på den.

Mængden af ​​overført termisk energi afhænger af det nærliggende legemes natur og mediet, der adskiller dem.

temperatur

Temperaturbegrebet er afgørende for at studere virkningerne af varme, temperaturen på en krop er måling af dens evne til at overføre varme til andre organer.

To organer i gensidig kontakt eller adskilt af et egnet medium (varmeleder) vil være ved samme temperatur, hvis der ikke er nogen varmeflow mellem dem. Ligeledes vil en krop X blive fundet ved en temperatur, der er større end for en krop, og hvis varmen strømmer fra X til Y.

Hvad er de grundlæggende egenskaber ved termisk ekspansion?

Det er tydeligt relateret til en temperaturændring, jo højere temperaturen er, desto større er ekspansionen. Det afhænger også af materialets indre struktur. I et termometer er udvidelsen af ​​kviksølv langt større end udvidelsen af ​​glasset, der indeholder det.

Hvad er den grundlæggende årsag til termisk ekspansion?

En stigning i temperaturen indebærer en stigning i de enkelte atomers kinetiske energi i et stof. I en fast, i modsætning til en gas er atomerne eller molekylerne tæt sammen, men deres kinetiske energi (i form af små og hurtige vibrationer) adskiller atomer eller molekyler fra hinanden.

Denne adskillelse mellem nærliggende atomer bliver stadig større og resulterer i en stigning i størrelsen af ​​det faste stof.

For de fleste stoffer under normale betingelser er der ingen foretrukken retning, hvor termisk ekspansion forekommer, og stigningen i temperatur vil øge størrelsen af ​​det faste stof med en vis fraktion i hver dimension.

Lineær dilatation

Det enkleste eksempel på dilation er ekspansion i en dimension (lineær). Det er eksperimentelt konstateret, at ændringen i længde ΔL af et stof er proportional med temperaturændringen ΔT og den indledende længde Lo (figur 1). Vi kan repræsentere dette på følgende måde:

DL = aLoDT

hvor α er en proportionalitetskoefficient kaldet lineær ekspansionskoefficient og er karakteristisk for hvert materiale. Nogle værdier af denne koefficient er vist i tabel A.

Linjær ekspansionskoefficient er større for materialer, der oplever en større ekspansion for hver grad celsius, der stiger sin temperatur.

Overflade dilatation

Når et fly er taget inde i en fast krop, så at dette fly er det, der undergår den termiske udvidelse (Figur 2), er ændringen i området ΔA givet ved:

DA = 2aA0

hvor ΔA er forandringen i det oprindelige område Ao, er T temperaturændringen, og α er lineær ekspansionskoefficienten.

Volumetrisk dilation

Som i de foregående tilfælde kan ændringen i volumenet ΔV tilnærmes med forholdet (Figur 3). Denne ligning er normalt skrevet som følger:

DV = bVoDT

hvor β er volumetrisk ekspansionskoefficient og er omtrent lig med 3a Λα τα ßλα 2, vises værdierne af koefficienterne for volumetrisk ekspansion for nogle materialer.

Generelt vil stoffer udvides under en stigning i temperaturen, vand er den vigtigste undtagelse fra denne regel. Vand udvides, når temperaturen stiger, når det er højere end 4ºC.

Det udvider dog også ved at formindske temperaturen i området fra 4 ° C til 0 ° C. Denne effekt kan observeres, når der sættes vand i køleskabet, vandet udvides ved frysning, og det er svært at udpakke isen fra beholderen ved denne udvidelse.

eksempler

Forskelle i volumetrisk dilation kan føre til interessante effekter i en tankstation. Et eksempel er benzinindløb i en tank, der netop er blevet fyldt i løbet af en varm dag.

Bensin køler ståltanken, når den hældes, og både benzin og tank udvides med omgivende luftens temperatur. Imidlertid udvider benzin meget hurtigere end stål og dråber dermed ud af tanken.

Forskellen i ekspansion mellem benzinen og tanken, der indeholder den, kan medføre problemer, når brændstofniveauindikatoren læses. Mængden af ​​benzin (masse) tilbage i en tank, når indikatoren når et vakuumniveau er meget lavere om sommeren end om vinteren.

Bensin har samme volumen på begge stationer, når advarselslyset tændes, men fordi benzin udvider om sommeren, har den en lavere masse.

Som et eksempel kan det betragtes som en fuldstål benzin tank med en kapacitet på 60L. Hvis tankens og benzins temperatur er 15ºC, hvor meget gas vil blive spildt, når de når en temperatur på 35ºC?

Tanken og benzinen vil stige i volumen på grund af stigningen i temperaturen, men benzin vil stige mere end tanken. Så den spildte benzin vil være forskellen på dine volumenændringer. Den volumetriske ekspansion ligning kan derefter bruges til at beregne volumenændringer:

Volumenet, der spildes af temperaturforøgelsen, er så:

Ved at kombinere disse 3 ligninger i et, har vi:

Fra tabel 2 opnås værdierne af koefficienten for den volumetriske ekspansion, idet værdierne erstattes:

Skønt denne mængde spildgas er relativt ubetydelig sammenlignet med en 60 L tank, er effekten overraskende, da benzin og stål ekspanderer meget hurtigt.

bibliografi

  1. Yen Ho Cho, Taylor R. Thermal Expansion af Solids ASM International, 1998.
  2. H. Ibach, Hans Lüth Solid State Physics: En introduktion til principper for materialevidenskab Springer Science & Business Media, 2003.
  3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, bind 1. Wiley, 2001.
  4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elementer af klassisk fysik Elsevier, 2013.
  5. Zemansky Mark W. Varme og termodynamik. Editorial Aguilar, 1979.