Dylatacja termiczna, współczynnik, typy i ćwiczenia



The rozszerzalność cieplna jest wzrostem lub zmianą różnych wymiarów metrycznych (takich jak długość lub objętość) doznanych przez ciało lub obiekt fizyczny. Proces ten następuje ze względu na wzrost temperatury otaczającej materiał. W przypadku dylatacji liniowej takie zmiany występują w jednym wymiarze.

Współczynnik tej rozszerzalności można zmierzyć przez porównanie wartości ilości przed i po procesie. Niektóre materiały są przeciwne do rozszerzalności cieplnej; to znaczy, staje się „negatywny”. Koncepcja ta sugeruje, że niektóre materiały ulegają skurczeniu pod wpływem pewnych temperatur.  

Jeśli chodzi o bryły, liniowy współczynnik rozszerzania jest używany do opisania jego rozszerzenia. Z drugiej strony, objętościowy współczynnik rozszerzalności jest używany dla cieczy do wykonywania obliczeń.

W przypadku skrystalizowanych ciał stałych, jeśli jest izometryczna, rozszerzenie będzie ogólne we wszystkich wymiarach kryształu. Jeśli nie jest izometryczny, można znaleźć różne współczynniki rozszerzalności wzdłuż kryształu, a to zmieni jego rozmiar podczas zmiany temperatury.

Indeks

  • 1 Współczynnik rozszerzalności cieplnej
  • 2 Ujemna rozszerzalność cieplna
  • 3 typy
    • 3.1 Rozszerzanie liniowe
    • 3.2 Rozszerzenie objętościowe
    • 3.3 Rozszerzenie powierzchni lub obszaru
  • 4 Przykłady
    • 4.1 Pierwsze ćwiczenie (rozszerzenie liniowe)
    • 4.2 Drugie ćwiczenie (powierzchowne rozszerzenie)
  • 5 Dlaczego dochodzi do rozszerzenia??
  • 6 referencji

Współczynnik rozszerzalności cieplnej

Współczynnik rozszerzalności cieplnej (Y) jest definiowany jako promień zmiany, przez który przechodzi materiał z powodu zmiany jego temperatury. Współczynnik ten jest reprezentowany przez symbol α dla ciał stałych i β dla cieczy i jest prowadzony przez Międzynarodowy System Jednostek.

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

Na przykład dylatacja bryły jest widoczna wzdłuż długości. Współczynnik objętości jest jednym z najbardziej podstawowych pod względem płynów, a zmiany są niezwykłe we wszystkich kierunkach; współczynnik ten jest również używany przy obliczaniu rozszerzalności gazu.

Ujemna rozszerzalność cieplna

W niektórych materiałach występuje ujemna rozszerzalność cieplna, która zamiast zwiększać ich rozmiar w wysokich temperaturach, kurczy się z powodu niskich temperatur.

Ten typ rozszerzalności cieplnej jest zwykle widoczny w systemach otwartych, w których obserwuje się interakcje kierunkowe - jak w przypadku lodu lub związków złożonych - w przypadku niektórych zeolitów, między innymi Cu2O..

Ponadto niektóre badania wykazały, że ujemna rozszerzalność cieplna występuje również w sieciach jednoskładnikowych w postaci zwartej i z oddziaływaniem siły centralnej.

Wyraźny przykład ujemnej rozszerzalności cieplnej można zaobserwować, dodając lód do szklanki wody. W tym przypadku wysoka temperatura cieczy na lodzie nie powoduje wzrostu rozmiaru, ale raczej zmniejsza jej rozmiar.

Typy

Przy obliczaniu rozszerzenia obiektu fizycznego należy wziąć pod uwagę, że w zależności od zmiany temperatury wspomniany obiekt może zwiększyć lub zmniejszyć swój rozmiar.

Niektóre obiekty nie wymagają drastycznej zmiany temperatury, aby zmodyfikować ich rozmiar, więc jest prawdopodobne, że wartość rzucona przez obliczenia jest średnia.

Podobnie jak wszystkie procesy, rozszerzalność cieplna jest podzielona na kilka typów, które wyjaśniają każde zjawisko oddzielnie. W przypadku ciał stałych rodzaje rozszerzalności cieplnej są liniowe, dylatacja objętościowa i rozszerzenie powierzchni.

Dylatacja liniowa

W dylatacji liniowej przeważa jedna zmienna. W tym przypadku jedyną jednostką podlegającą zmianie jest wysokość lub szerokość obiektu.

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

Dylatacja objętościowa

W przypadku rozszerzenia objętościowego sposobem obliczenia jest porównanie objętości płynu przed zmianą temperatury z objętością płynu po zmianie temperatury. Wzór do obliczenia to:

Dylatacja powierzchni lub obszaru

W przypadku powierzchownego poszerzenia, wzrost powierzchni ciała lub obiektu obserwuje się, gdy następuje zmiana jego temperatury o 1 ° C.

Ta dylatacja działa na bryły. Jeśli masz również współczynnik liniowy, możesz zobaczyć, że rozmiar obiektu będzie dwa razy większy. Wzór do obliczenia to:

Af = A0 [1 + YA (Tf - T0)]

W tym wyrażeniu:

γ = współczynnik rozszerzalności powierzchniowej [° C-1]

A0 = Obszar początkowy

Af = Ostatni obszar

T0 = Temperatura początkowa.

Tf = Temperatura końcowa

Różnica między rozszerzeniem obszaru a rozszerzeniem liniowym polega na tym, że w pierwszym występuje zmiana wzrostu obszaru obiektu, aw drugim zmiana dotyczy pomiaru pojedynczej jednostki (ponieważ może to być długość lub szerokość obiektu fizycznego).

Przykłady

Pierwsze ćwiczenie (rozszerzenie liniowe)

Szyny tworzące tor pociągu zbudowanego ze stali mają długość 1500 m. Jaka będzie długość w czasie, gdy temperatura sięga od 24 do 45 ° C?

Rozwiązanie

Dane:

L0 (długość początkowa) = 1500 m

Lf (końcowa długość) = ?

Do (temperatura początkowa) = 24 ° C

Tf (temperatura końcowa) = 45 ° C

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

Dane są zastępowane następującym wzorem:

Najpierw jednak musimy znać wartość różnicy temperatur, aby uwzględnić te dane w równaniu. Aby uzyskać tę różnicę, należy odjąć najwyższą temperaturę od najniższej.

Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C

Gdy ta informacja jest znana, 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 (1 000231)

Lf = 1500,3465 m

Drugie ćwiczenie (powierzchowne rozszerzenie)

W liceum sprzedaż szkła ma powierzchnię 1,4 m ^ 2, jeśli temperatura wynosi 21 ° C. Jaki będzie twój ostatni obszar przy zwiększaniu temperatury do 35 ° C?

Rozwiązanie

Af = A0 [1 + (Tf - T0)]

Af = 1,4 m2 [1] 204,4 x 10-6]

Af = 1,4 m2 . 1,0002044

Af = 1,40028616 m2

Dlaczego dochodzi do rozszerzenia?

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

Gdy temperatura wzrasta, molekuły zaczynają gwałtownie poruszać się ze względu na wzrost energii kinetycznej, a zatem kształt lub objętość obiektu wzrośnie.

W przypadku ujemnych temperatur dzieje się odwrotnie, w tym przypadku objętość obiektu jest zwykle zmniejszana przez niskie temperatury.

Referencje

  1. Dylatacja liniowa, powierzchniowa i objętościowa - ćwiczenia. Rozwiązany Odzyskany 8 maja 2018 r. Z Fisimat: fisimat.com.mx
  2. Powierzchowne rozszerzenie - ćwiczenia rozwiązane. Pobrano 8 maja 2018 r. Z Fisimat: fisimat.com.mx
  3. Rozszerzenie termiczne. Pobrano 8 maja 2018 r. Z Encyclopædia Britannica: britannica.com
  4. Rozszerzenie termiczne. Źródło: 8 maja 2018 r. Z Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  5. Rozszerzenie termiczne. Źródło: 8 maja 2018 r. Z Lumen Learning: course.lumenlearning.com
  6. Rozszerzenie termiczne. Pobrano 8 maja 2018 r. Z The Physics Hypertextbook: physics.info
  7. Rozszerzenie termiczne. Pobrano 8 maja 2018 r. Z Wikipedii: en.wikipedia.org.