КАКВО Е ОБЕМНА ДИЛАТАЦИЯ? (С ПРИМЕРИ) - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В обемно разширение е физическо явление, свързана с промяна в трите измерения на тялото. Обемът или размерите на повечето вещества се увеличават, когато са подложени на топлина; Това е явление, известно като термично разширение, но има и вещества, които се нагряват при нагряване.

Въпреки че промените в обема са сравнително малки за твърдите вещества, те имат голямо техническо значение, особено в ситуации, когато е желателно да се присъединят материали, които се разширяват по различен начин.

Формата на някои твърди частици се изкривява при нагряване и може да се разшири в някои посоки и да се свие в други. Въпреки това, когато има разширение само в определен брой измерения, съществува класификация за такива разширения:

• Линейното разширение се случва, когато преобладава изменението в определен размер, като дължината, ширината или височината на тялото.
• Повърхностната дилатация е тази, при която преобладава изменението в две от трите измерения.
• И накрая, обемната дилатация предполага промяна в трите измерения на тялото.

Основни понятия, свързани с топлинното разширение

Термална енергия

Материята се състои от атоми, които са в непрекъснато движение, или се движат, или вибрират. Кинетичната (или движението) енергия, с която се движат атомите, се нарича топлинна енергия, колкото по-бързо се движат, толкова повече топлинна енергия имат.

горещ

Топлината е топлинната енергия, предавана между две или повече вещества или от една част от веществото в друга в макроскопски мащаб. Това означава, че горещо тяло може да се откаже от част от топлинната си енергия и да повлияе на тяло в близост до него.

Количеството предавана топлинна енергия зависи от естеството на близкото тяло и околната среда, която ги разделя.

температура

Концепцията за температура е основна за изучаване на влиянието на топлината, температурата на тялото е мярката на способността му да предава топлина на други тела.

Две тела, които са във взаимен контакт или разделени от подходяща среда (топлопроводник), ще бъдат при една и съща температура, ако няма топлинен поток между тях. По същия начин тялото X ще бъде с по-висока температура от тяло Y, ако топлината тече от X в Y.

Какви са основните свойства на топлинното разширение?

Това е ясно свързано с промяна в температурата, колкото по-висока е температурата, толкова по-голямо е разширяването. Зависи и от вътрешната структура на материала, в термометър разширяването на живак е много по-голямо от разширяването на стъклото, което го съдържа.

Каква е основната причина за топлинното разширение?

Повишаването на температурата предполага увеличаване на кинетичната енергия на отделните атоми в дадено вещество. В твърдо вещество, за разлика от газ, атомите или молекулите са тясно заедно, но тяхната кинетична енергия (под формата на малки, бързи вибрации) отделя атомите или молекулите един от друг.

Това разделяне между съседните атоми става по-голямо и по-голямо и води до увеличаване на размера на твърдото вещество.

За повечето вещества при обикновени условия няма предпочитана посока, в която да се получи топлинно разширение и повишаването на температурата ще увеличи размера на твърдото вещество с определена фракция във всяко измерение.

Линейна дилатация

Най-простият пример за дилатация е разширяване в едно (линейно) измерение. Експериментално е установено, че промяната в дължината ΔL на веществото е пропорционална на промяната на температурата ΔT и началната дължина Lo (Фигура 1). Ние можем да представим това по следния начин:

DL = aLoDT

където α е коефициент на пропорционалност, наречен коефициент на линейно разширение и е характерен за всеки материал. Някои стойности на този коефициент са показани в таблица А.

Коефициентът на линейно разширение е по-висок за материали, които имат по-голямо разширение за всеки градус по Целзий, когато температурата им се повишава.

Повърхностна дилатация

Когато равнина е взета в твърдо тяло, така че тази равнина е тази, която претърпява термично разширение (фигура 2), промяната в площта ΔA се дава от:

DA = 2aA0

където ΔA е промяната в началната площ Ao, T е промяната в температурата, а α е коефициентът на линейно разширение.

Обемна дилатация

Както в предишните случаи, промяната в обема ΔV може да се сближи със съотношението (фигура 3). Това уравнение обикновено се записва по следния начин:

DV = bVoDT

където β е коефициентът на обемно разширение и е приблизително равен на 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, са показани стойностите на коефициентите на обемно разширение за някои материали.

По принцип веществата ще се разширяват при повишаване на температурата, като водата е най-важното изключение от това правило. Водата се разширява, когато температурата й се повиши, когато е по-висока от 4 ° C.

Той обаче също се разширява, когато температурата му се понижи в диапазона от 4 ° C до 0 ° C. Този ефект може да се наблюдава, когато водата се постави в хладилник, водата се разширява, когато замръзне и е трудно да извадите леда от контейнера си поради това разширяване.

Примери

Разликите в обемното разширяване могат да доведат до интересни ефекти на бензиностанция. Пример е бензинът да капе в резервоар, който току-що е бил напълнен в горещ ден.

Бензинът охлажда стоманения резервоар, когато се излива, а бензинът и резервоарът се разширяват с температурата на околния въздух. Бензинът обаче се разширява много по-бързо от стоманата, което води до изтичане от резервоара.

Разликата в разширяването между бензина и резервоара, който го съдържа, може да причини проблеми при отчитане на показателя за ниво на горивото. Количеството бензин (маса), останало в резервоар, когато манометърът достигне празно, е много по-малко през лятото, отколкото през зимата.

Бензинът има еднакъв обем и в двете станции, когато светва предупредителната лампа, но тъй като през лятото бензинът се разширява, той има по-ниска маса.

Като пример можете да разгледате пълен стоманен резервоар за газ, с вместимост 60L. Ако температурата на резервоара и бензина е 15ºC, колко бензин ще се разлее по времето, когато достигнат температура 35ºC?

Резервоарът и бензинът ще се увеличат по обем поради повишаването на температурата, но бензинът ще се увеличи повече от резервоара. Така разливаният бензин ще бъде разликата в промените в обема ви. Уравнението на обемното разширение може след това да се използва за изчисляване на промените в обема:

Тогава обемът, разливан от повишаването на температурата, е:

Комбинирайки тези 3 уравнения в едно, имаме:

От таблица 2 се получават стойностите на коефициента на обемно разширение, заместващи стойности:

Въпреки че това количество разлят бензин е сравнително незначително в сравнение с 60L резервоар, ефектът е изненадващ, тъй като бензинът и стоманата се разширяват много бързо.

библиография

1. Йен Хо Чо, Тейлър Р. Термично разширяване на твърди частици ASM International, 1998.
2. Х. Ибах, Ханс Лют Физика на твърдото тяло: Въведение в принципите на материалознанието Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, том 1. Wiley, 2001.
4. Мартин К. Мартин, Чарлз А. Хюет Елементи на класическата физика Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Топлина и термодинамика. Редакция Aguilar, 1979г.