ČO JE OBJEMOVÁ DILATÁCIA? (S PRÍKLADMI) - FYZICKÝ - 2026

Expanzná objem je fyzikálny jav, zahŕňajúce zmenu troch rozmerov tela. Pri vystavení teplu sa zväčšuje objem alebo rozmery väčšiny látok; Toto je jav známy ako tepelná rozťažnosť, existujú však aj látky, ktoré sa pri zahrievaní sťahujú.

Aj keď zmeny objemu sú pre tuhé látky relatívne malé, majú veľký technický význam, najmä v situáciách, keď je potrebné spájať materiály, ktoré sa odlišne expandujú.

Tvar niektorých tuhých látok je pri zahrievaní zdeformovaný a môže sa v niektorých smeroch rozširovať a v iných sa sťahovať. Ak však existuje rozšírenie iba v určitom počte rozmerov, existuje klasifikácia pre takéto rozšírenia:

• K lineárnej dilatácii dochádza, keď prevládajú zmeny v konkrétnom rozmere, ako je dĺžka, šírka alebo výška tela.
• Povrchová dilatácia je taká, kde prevládajú zmeny v dvoch z troch rozmerov.
• Napokon objemová dilatácia znamená zmenu v troch rozmeroch tela.

Základné pojmy týkajúce sa tepelnej rozťažnosti

Termálna energia

Hmota sa skladá z atómov, ktoré sú v nepretržitom pohybe, buď sa pohybujú, alebo vibrujú. Kinetická (alebo pohybová) energia, s ktorou sa atómy pohybujú, sa nazýva tepelná energia, čím rýchlejšie sa pohybujú, tým viac tepelnej energie majú.

horúco

Teplo je tepelná energia prenášaná medzi dvoma alebo viacerými látkami alebo z jednej časti látky na druhú v makroskopickom meradle. To znamená, že horúce teleso sa môže vzdať časti svojej tepelnej energie a ovplyvniť telo v jeho blízkosti.

Množstvo prenesenej tepelnej energie závisí od povahy blízkeho tela a od prostredia, ktoré ich oddeľuje.

teplota

Koncept teploty je základom pre štúdium účinkov tepla, teplota tela je mierou jeho schopnosti prenášať teplo do iných telies.

Dve telá vo vzájomnom kontakte alebo oddelené vhodným médiom (tepelný vodič) budú mať rovnakú teplotu, ak medzi nimi nebude žiadny tok tepla. Podobne bude mať teleso X vyššiu teplotu ako teleso Y, ak bude teplo prúdiť z X do Y.

Aké sú základné vlastnosti tepelnej rozťažnosti?

Jednoznačne súvisí so zmenou teploty, čím vyššia je teplota, tým väčšia je expanzia. Závisí to tiež od vnútornej štruktúry materiálu, v teplomere je expanzia ortuti oveľa väčšia ako expanzia skla, ktoré ju obsahuje.

Čo je základnou príčinou tepelnej rozťažnosti?

Zvýšenie teploty znamená zvýšenie kinetickej energie jednotlivých atómov v látke. V pevnom skupenstve, na rozdiel od plynu, sú atómy alebo molekuly úzko spojené, ale ich kinetická energia (vo forme malých rýchlych vibrácií) oddeľuje atómy alebo molekuly od seba navzájom.

Táto separácia medzi susednými atómami sa stáva väčšou a väčšou a vedie k zväčšeniu veľkosti pevnej látky.

Pre väčšinu látok za bežných podmienok neexistuje preferovaný smer, v ktorom dochádza k tepelnej expanzii a zvyšujúca sa teplota zvyšuje veľkosť pevnej látky o určitú frakciu v každej dimenzii.

Lineárna dilatácia

Najjednoduchším príkladom dilatácie je expanzia v jednej (lineárnej) dimenzii. Experimentálne sa zistilo, že zmena v dĺžke ΔL látky je úmerná zmene teploty ΔT a počiatočnej dĺžky Lo (obrázok 1). Môžeme to reprezentovať nasledujúcim spôsobom:

DL = aLoDT

kde α je koeficient proporcionality nazývaný koeficient lineárnej expanzie a je charakteristický pre každý materiál. Niektoré hodnoty tohto koeficientu sú uvedené v tabuľke A.

Koeficient lineárnej expanzie je vyšší pre materiály, ktoré majú väčšiu expanziu pre každý stupeň Celzia, keď ich teplota stúpa.

Povrchová dilatácia

Ak je rovina vzatá v rámci pevného telesa, takže táto rovina je rovinou, ktorá podlieha tepelnej rozťažnosti (obrázok 2), zmena plochy ΔA je daná:

DA = 2aA0

kde ΔA je zmena počiatočnej oblasti Ao, T je zmena teploty a α je koeficient lineárnej expanzie.

Objemová dilatácia

Rovnako ako v predchádzajúcich prípadoch, zmena objemu A sa dá aproximovať pomocou vzťahu (obrázok 3). Táto rovnica sa obvykle píše takto:

DV = bVoDT

kde β je koeficient objemovej expanzie a je približne rovný 3 ∝ τ∝ ßλ∝ 2, sú uvedené hodnoty koeficientov objemovej expanzie pre niektoré materiály.

Vo všeobecnosti sa látky zvyšujú pri zvýšenej teplote, voda je najdôležitejšou výnimkou z tohto pravidla. Voda stúpa, keď sa jej teplota zvýši, keď je vyššia ako 4 ° C.

Rozširuje sa však aj pri poklese teploty v rozmedzí od 4 ° C do 0 ° C. Tento účinok je možné pozorovať, keď sa voda vloží do chladničky, voda sa pri zamrznutí rozťahuje a v dôsledku tejto expanzie je ťažké odstrániť ľad z obalu.

Príklady

Rozdiely v objemovej expanzii môžu mať na benzínovej stanici zaujímavé účinky. Príkladom je benzín kvapkajúci do nádrže, ktorá bola práve naplnená v horúcom dni.

Benzín ochladzuje oceľovú nádrž, keď sa nalieva, a benzín aj nádrž sa rozširujú s teplotou okolitého vzduchu. Benzín sa však rozširuje oveľa rýchlejšie ako oceľ, čo spôsobuje jeho únik z nádrže.

Rozdiel v expanzii medzi benzínom a nádržou, ktorá ho obsahuje, môže spôsobiť problémy pri odčítaní hladiny paliva. Množstvo benzínu (hm.), Ktoré zostalo v nádrži, keď je obrys prázdny, je v lete oveľa menšie ako v zime.

Keď sa kontrolka rozsvieti, benzín má na obidvoch staniciach rovnaký objem, ale pretože sa v lete benzín rozširuje, má nižšiu hmotnosť.

Ako príklad môžete uviesť celooceľovú plynovú nádrž s kapacitou 60 l. Ak je teplota nádrže a benzínu 15 ° C, koľko benzínu sa vyleje, kým nedosiahnu teplotu 35 ° C?

Objem nádrže a benzínu sa zvýši v dôsledku zvýšenia teploty, ale benzín sa zvýši viac ako nádrž. Rozliaty benzín bude teda rozdiel v objemových zmenách. Objemová expanzná rovnica sa potom môže použiť na výpočet zmien objemu:

Objem vyliaty zvýšením teploty je potom:

Kombináciou týchto 3 rovníc do jednej máme:

Z tabuľky 2 sa získajú hodnoty koeficientu objemovej expanzie, pričom sa nahradia hodnoty:

Aj keď je toto množstvo rozliateho benzínu relatívne zanedbateľné v porovnaní s nádržou s objemom 60 litrov, účinok je prekvapujúci, pretože benzín a oceľ sa veľmi rýchlo rozširujú.

Bibliografia

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Tepelná expanzia pevných látok ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Fyzika pevných látok: Úvod do princípov materiálovej vedy Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, Zväzok 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Prvky klasickej fyziky Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Tepelná a termodynamika. Editorial Aguilar, 1979.