KAS YRA TŪRINIS IŠSIPLĖTIMAS? (SU PAVYZDŽIAIS) - FIZINIS - 2025

Labai didėja yra fizinis reiškinys apimantis į trijų matmenų kūno kaita. Daugelio medžiagų tūris ar matmenys padidėja, kai jos yra veikiamos šilumos; Tai yra reiškinys, žinomas kaip šiluminis plėtimasis, tačiau yra ir medžiagų, kurios susitraukia šildant.

Nors kietųjų dalelių tūrio pokyčiai yra palyginti maži, jie turi didelę techninę reikšmę, ypač tais atvejais, kai norima sujungti medžiagas, kurios plečiasi skirtingai.

Kai kurių kietų medžiagų forma kaitinant iškreipiama ir vienomis kryptimis gali išsiplėsti, o kitomis - susitraukti. Tačiau kai yra tik tam tikro skaičiaus išsiplėtimas, tokie išplėtimai klasifikuojami:

• Linijinis išsiplėtimas įvyksta, kai vyrauja tam tikro matmens variacijos, tokios kaip kūno ilgis, plotis ar aukštis.
• Paviršiaus išsiplėtimas yra tas, kai vyrauja dviejų iš trijų matmenų variacija.
• Galiausiai tūrinis išsiplėtimas reiškia trijų kūno matmenų kitimą.

Pagrindinės sąvokos, susijusios su šiluminiu plėtimu

Šiluminė energija

Medžiagą sudaro atomai, kurie nuolat juda, juda arba vibruoja. Kinetinė (arba judesio) energija, kuria atomai juda, vadinama šilumine energija, tuo greičiau jie juda, tuo daugiau šiluminės energijos turi.

Karšta

Šiluma yra šiluminė energija, perduodama tarp dviejų ar daugiau medžiagų arba iš vienos medžiagos porcijos į kitą makroskopiniu mastu. Tai reiškia, kad karštas kūnas gali atsisakyti dalies šiluminės energijos ir paveikti šalia esantį kūną.

Perduotos šilumos energijos kiekis priklauso nuo šalia esančio kūno pobūdžio ir aplinkos, kuri juos skiria.

Temperatūra

Temperatūros sąvoka yra esminė norint ištirti šilumos poveikį. Kūno temperatūra yra jo gebėjimo perduoti šilumą kitiems kūnams matas.

Du kūnai, susiliečiantys tarpusavyje arba atskirti tinkama terpe (šilumos laidininku), bus toje pačioje temperatūroje, jei tarp jų nebus šilumos srauto. Panašiai kūnas X bus aukštesnėje temperatūroje nei kūnas Y, jei šiluma teka iš X į Y.

Kokios yra pagrindinės šiluminio plėtimosi savybės?

Tai aiškiai susijusi su temperatūros pokyčiu, kuo aukštesnė temperatūra, tuo didesnis išsiplėtimas. Tai taip pat priklauso nuo vidinės medžiagos struktūros, termometre gyvsidabrio išsiplėtimas yra daug didesnis nei stiklo, kuriame yra jo, išsiplėtimas.

Kokia yra pagrindinė šiluminio plėtimosi priežastis?

Temperatūros padidėjimas reiškia, kad padidėja atskirų medžiagos atomų kinetinė energija. Kietoje medžiagoje, skirtingai nei dujose, atomai ar molekulės yra glaudžiai tarpusavyje, tačiau jų kinetinė energija (mažų, greitų virpesių pavidalu) atskiria atomus ar molekules viena nuo kitos.

Šis atskyrimas tarp kaimyninių atomų tampa didesnis ir didesnis, todėl padidėja kietosios medžiagos dydis.

Daugeliui medžiagų įprastomis sąlygomis nėra pageidautina šiluminio plėtimosi kryptis, o padidėjus temperatūrai kietosios medžiagos dydis padidėja tam tikra trupmena kiekviename matmenyje.

Linijinis išsiplėtimas

Paprasčiausias išsiplėtimo pavyzdys yra išplėtimas viename (tiesiniame) matmenyje. Eksperimentu nustatyta, kad medžiagos ilgio ΔL pokytis yra proporcingas temperatūros pokyčiui ΔT ir pradiniam ilgiui Lo (1 paveikslas). Mes galime tai parodyti tokiu būdu:

DL = aLoDT

kur α yra proporcingumo koeficientas, vadinamas linijinio plėtimosi koeficientu ir būdingas kiekvienai medžiagai. Kai kurios šio koeficiento vertės pateiktos A lentelėje.

Linijinio išsiplėtimo koeficientas yra didesnis medžiagoms, kurių kiekvienam Celsijaus laipsniui padidėjus, jų temperatūra pakyla, didesnis.

Paviršinis išsiplėtimas

Kai plokštuma yra paimta kietajame kūne, kad ši plokštuma būtų ta, kuriai šiluma išsiplečia (2 paveikslas), ploto ΔA pokytis apskaičiuojamas taip:

DA = 2aA0

čia ΔA yra pradinio ploto Ao pokytis, T yra temperatūros pokytis, o α - tiesinio plėtimosi koeficientas.

Tūrinis išsiplėtimas

Kaip ir ankstesniais atvejais, tūrio ΔV pokytį galima suderinti su ryšiu (3 paveikslas). Ši lygtis paprastai rašoma taip:

DV = bVoDT

kur β yra tūrio išplėtimo koeficientas ir yra maždaug lygus 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, parodomos kai kurių medžiagų tūrio išplėtimo koeficientų vertės.

Apskritai, padidėjus temperatūrai, medžiagos išsiplės, o vanduo yra svarbiausia šios taisyklės išimtis. Vanduo plečiasi, kai jo temperatūra padidėja, kai yra aukštesnė nei 4ºC.

Tačiau jis taip pat plečiasi, kai jo temperatūra sumažėja nuo 4 ° C iki 0 ° C. Šį poveikį galima pastebėti, kai vanduo dedamas į šaldytuvą, vanduo plečiasi, kai užšąla, ir dėl šio išsiplėtimo sunku iš jo indo pašalinti ledus.

Pavyzdžiai

Tūrinio išsiplėtimo skirtumai gali sukelti įdomių efektų degalinėse. Pavyzdys yra benzinas, kuris laša į baką, kuris ką tik buvo užpildytas karštą dieną.

Benzinas aušina plieninį baką, kai jis pilamas, ir benzinas, ir bakas plečiasi esant aplinkinio oro temperatūrai. Tačiau benzinas plečiasi daug greičiau nei plienas, todėl jis gali ištekėti iš bako.

Skirtumas dėl benzino ir jame esančio bako išsiplėtimo gali sukelti problemų skaitant degalų lygio matuoklį. Benzino (masės), likusio rezervuare, manometrui ištuštėjus, vasarą yra daug mažiau nei žiemą.

Benzinas turi tą patį tūrį abiejose stotyse, kai įsijungia įspėjamoji lemputė, tačiau kadangi benzinas plečiasi vasarą, jo masė yra mažesnė.

Kaip pavyzdį galite laikyti pilną plieninį 60 litrų talpos dujų baką. Jei rezervuaro ir benzino temperatūra yra 15ºC, kiek benzino bus išsiliejusi, kai jie pasieks 35ºC?

Dėl padidėjusios temperatūros bakas ir benzinas padidės, tačiau benzinas padidės daugiau nei bakas. Taigi išsiliejęs benzinas bus jūsų tūrio pokyčių skirtumas. Tada tūrio išplėtimo lygtis gali būti naudojama tūrio pokyčiams apskaičiuoti:

Padidėjęs temperatūros tūris:

Sujungdami šias 3 lygtis į vieną, turime:

Iš 2 lentelės gaunamos tūrinio plėtimosi koeficiento vertės, pakeičiančios reikšmes:

Nors šis išsiliejusio benzino kiekis yra palyginti nereikšmingas, palyginti su 60 litrų baku, poveikis stebina, nes benzinas ir plienas plečiasi labai greitai.

Bibliografija

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Šiluminis kietųjų medžiagų išplėtimas ASM International, 1998 m.
2. H. Ibach, Hans Lüth kietojo kūno fizika: įvadas į medžiagų mokslo principus „Springer“ mokslo ir verslo žiniasklaida, 2003 m.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Fizika, 1 tomas. Wiley, 2001 m.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Klasikinės fizikos elementai, 2013 m.
5. Zemansky Markas W. Šiluma ir termodinamika. „Aguilar“ redakcija, 1979 m.