Θερμική διαστολή, συντελεστής, τύποι και ασκήσεις

Το θερμική επέκταση είναι η αύξηση ή η μεταβολή διαφόρων μετρικών διαστάσεων (όπως το μήκος ή ο όγκος) που υποφέρουν από ένα σώμα ή ένα φυσικό αντικείμενο. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας γύρω από το υλικό. Στην περίπτωση της γραμμικής διαστολής, αυτές οι αλλαγές εμφανίζονται σε μία μόνο διάσταση.

Ο συντελεστής αυτής της διαστολής μπορεί να μετρηθεί συγκρίνοντας την τιμή της ποσότητας πριν και μετά τη διαδικασία. Ορισμένα υλικά υποφέρουν απέναντι από τη θερμική επέκταση. δηλαδή, γίνεται "αρνητικό". Αυτή η ιδέα προτείνει ότι κάποια υλικά συστέλλονται όταν εκτίθενται σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες.  

Όσον αφορά τα στερεά, χρησιμοποιείται ένας συντελεστής γραμμικής διαστολής για την περιγραφή της επέκτασής του. Από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιείται ένας ογκομετρικός συντελεστής διαστολής για τα υγρά για την εκτέλεση των υπολογισμών.

Στην περίπτωση των κρυσταλλωμένων στερεών, αν είναι ισομετρική, η διαστολή θα είναι γενική σε όλες τις διαστάσεις του κρυστάλλου. Αν δεν είναι ισομετρική, μπορούν να βρεθούν διάφοροι συντελεστές διαστολής κατά μήκος του κρυστάλλου και θα αλλάξει το μέγεθός του όταν αλλάζει η θερμοκρασία.

Ευρετήριο

• 1 Συντελεστής θερμικής διαστολής
• 2 Αρνητική θερμική επέκταση
• 3 τύποι
  • 3.1 Γραμμική επέκταση
  • 3.2 Ογκομετρική διαστολή
  • 3.3 Διαστολή επιφανείας ή περιοχής
• 4 Παραδείγματα
  • 4.1 Πρώτη άσκηση (γραμμική διαστολή)
  • 4.2 Δεύτερη άσκηση (επιφανειακή διαστολή)
• 5 Γιατί συμβαίνει η διαστολή;?
• 6 Αναφορές

Συντελεστής θερμικής διαστολής

Ο συντελεστής θερμικής διαστολής (Υ) ορίζεται ως η ακτίνα μεταβολής μέσω της οποίας ένα υλικό πέρασε λόγω της μεταβολής της θερμοκρασίας του. Ο συντελεστής αυτός αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο α για τα στερεά και το β για τα υγρά και καθοδηγείται από το Διεθνές Σύστημα Μονάδων.

Οι συντελεστές θερμικής διαστολής κυμαίνονται όταν πρόκειται για στερεά, υγρά ή αέρια. Ο καθένας έχει διαφορετική ιδιαιτερότητα.

Για παράδειγμα, η διαστολή ενός στερεού μπορεί να παρατηρηθεί κατά μήκος ενός μήκους. Ο ογκομετρικός συντελεστής είναι ένας από τους πιο βασικούς όσον αφορά τα υγρά και οι αλλαγές είναι αξιοσημείωτες προς όλες τις κατευθύνσεις. αυτός ο συντελεστής χρησιμοποιείται επίσης για τον υπολογισμό της επέκτασης ενός αερίου.

Αρνητική θερμική επέκταση

Η αρνητική θερμική διαστολή παρατηρείται σε ορισμένα υλικά τα οποία, αντί να αυξάνουν το μέγεθος τους με υψηλές θερμοκρασίες, συμβαίνουν λόγω χαμηλών θερμοκρασιών.

Αυτός ο τύπος θερμικής διαστολής παρατηρείται συνήθως σε ανοικτά συστήματα όπου παρατηρούνται κατευθυντικές αλληλεπιδράσεις - όπως στην περίπτωση πάγου ή σε πολύπλοκες ενώσεις - όπως στην περίπτωση ορισμένων ζεολίθων, Cu2O, μεταξύ άλλων..

Επίσης, μερικές έρευνες έχουν δείξει ότι η αρνητική θερμική διαστολή παρατηρείται επίσης σε μονοφασικά πλέγματα σε συμπαγή μορφή και με αλληλεπίδραση κεντρικής δύναμης.

Ένα σαφές παράδειγμα αρνητικής θερμικής διαστολής μπορεί να παρατηρηθεί όταν προστίθεται πάγος σε ένα ποτήρι νερό. Σε αυτή την περίπτωση, η υψηλή θερμοκρασία του υγρού στον πάγο δεν προκαλεί αύξηση του μεγέθους, αλλά μάλλον μειώνει το μέγεθος του ίδιου.

Τύποι

Κατά τον υπολογισμό της διαστολής ενός φυσικού αντικειμένου, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ότι, ανάλογα με την αλλαγή θερμοκρασίας, το εν λόγω αντικείμενο μπορεί να αυξήσει ή να συρρικνωθεί το μέγεθός του.

Ορισμένα αντικείμενα δεν απαιτούν μια δραστική αλλαγή θερμοκρασίας για να τροποποιήσουν το μέγεθός τους, οπότε είναι πιθανό ότι η αξία που ρίχνεται από τους υπολογισμούς είναι μέση.

Όπως όλες οι διαδικασίες, η θερμική επέκταση χωρίζεται σε διάφορους τύπους που εξηγούν ξεχωριστά κάθε φαινόμενο. Στην περίπτωση στερεών, οι τύποι θερμικής διαστολής είναι η γραμμική διαστολή, η ογκομετρική διαστολή και η διαστολή της επιφάνειας.

Γραμμική διάταση

Σε γραμμική διαστολή κυριαρχεί μία μόνο διακύμανση. Στην περίπτωση αυτή, η μόνη μονάδα που υφίσταται μια αλλαγή είναι το ύψος ή το πλάτος του αντικειμένου.

Ένας εύκολος τρόπος για τον υπολογισμό αυτού του τύπου διαστολής είναι η σύγκριση της τιμής της ποσότητας πριν από τη μεταβολή της θερμοκρασίας με την τιμή της ποσότητας μετά τη μεταβολή της θερμοκρασίας.

Ογκομετρική διαστολή

Στην περίπτωση της ογκομετρικής διαστολής, ο τρόπος υπολογισμού του είναι η σύγκριση του όγκου του υγρού πριν από τη μεταβολή της θερμοκρασίας με τον όγκο του ρευστού μετά την αλλαγή της θερμοκρασίας. Ο τύπος για τον υπολογισμό του είναι:

Διαστολή επιφάνειας ή περιοχής

Στην περίπτωση επιφανειακής διαστολής, παρατηρείται αύξηση της επιφάνειας ενός σώματος ή αντικειμένου όταν υπάρχει μεταβολή της θερμοκρασίας του στους 1 ° C.

Αυτή η διαστολή λειτουργεί για στερεά. Εάν έχετε επίσης τον γραμμικό συντελεστή, μπορείτε να δείτε ότι το μέγεθος του αντικειμένου θα είναι διπλάσιο. Ο τύπος για τον υπολογισμό του είναι:

Α_στ = A₀ [1 + ΥΑ (Τ_στ - Τ₀)]

Στην έκφραση αυτή:

γ = συντελεστής διαστολής της επιφάνειας [° C^-1]

Α₀ = Αρχική περιοχή

Α_στ = Τελική περιοχή

Τ₀ = Αρχική θερμοκρασία.

Τ_στ = Τελική θερμοκρασία

Η διαφορά μεταξύ της διαστολής της περιοχής και της γραμμικής διαστολής είναι ότι στην πρώτη υπάρχει μια αλλαγή αύξησης στην περιοχή του αντικειμένου και στη δεύτερη η αλλαγή είναι μιας μέτρησης μιας μονάδας (όπως μπορεί να είναι το μήκος ή το πλάτος του φυσικού αντικειμένου).

Παραδείγματα

Πρώτη άσκηση (γραμμική διαστολή)

Οι σιδηροτροχιές που συνθέτουν την τροχιά μιας αμαξοστοιχίας κατασκευασμένης από χάλυβα έχουν μήκος 1500 μ. Ποιο θα είναι το μήκος κατά τη διάρκεια της θερμοκρασίας από 24 έως 45 ° C?

Λύση

Δεδομένα:

L0 (αρχικό μήκος) = 1500 m

L_στ (τελικό μήκος) = ?

Σε (αρχική θερμοκρασία) = 24 ° C

Τ_στ (τελική θερμοκρασία) = 45 ° C

α (γραμμικός συντελεστής διαστολής που αντιστοιχεί στον χάλυβα) = 11 x 10^-6 ° C^-1

Τα δεδομένα αντικαθίστανται από τον ακόλουθο τύπο:

Ωστόσο, πρώτα πρέπει να γνωρίζουμε την τιμή της διαφοράς θερμοκρασίας, προκειμένου να συμπεριληφθούν αυτά τα δεδομένα στην εξίσωση. Για να πάρετε αυτό το διαφορικό πρέπει να αφαιρέσετε την υψηλότερη θερμοκρασία από τη χαμηλότερη.

Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C

Μόλις γίνει γνωστή αυτή η πληροφορία είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί ο προηγούμενος τύπος:

Lf = 1500 m (1 + 21 ° C 11 χ 10^-6 ° C^-1)

Lf = 1500 m (1 + 2,31 χ 10^-4)

Lf = 1500 m (1.000231)

Lf = 1500.3465 m

Δεύτερη άσκηση (επιφανειακή διαστολή)

Σε ένα γυμνάσιο μια πώληση γυαλιού έχει μια περιοχή 1,4 m ^ 2, αν η θερμοκρασία είναι στους 21 ° C. Ποια θα είναι η τελική σας περιοχή όταν αυξάνετε τη θερμοκρασία στους 35 ° C?

Λύση

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

Af = 1,4 m² [1] 204,4 χ 10^-6]

Af = 1,4 m² . 1,0002044

Af = 1.40028616 m²

Γιατί συμβαίνει η διαστολή?

Όλοι γνωρίζουν ότι όλο το υλικό αποτελείται από διάφορα υποατομικά σωματίδια. Με τη μεταβολή της θερμοκρασίας, είτε αυξάνονται είτε μειώνονται, αυτά τα άτομα αρχίζουν μια διαδικασία κίνησης που μπορεί να αλλάξει το σχήμα του αντικειμένου.

Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, τα μόρια αρχίζουν να κινούνται γρήγορα λόγω της αύξησης της κινητικής ενέργειας και επομένως το σχήμα ή ο όγκος του αντικειμένου θα αυξηθεί.

Στην περίπτωση των αρνητικών θερμοκρασιών το αντίθετο συμβαίνει, στην περίπτωση αυτή ο όγκος του αντικειμένου συνήθως συρρικνώνεται από τις χαμηλές θερμοκρασίες.

Αναφορές

1. Γραμμική, επιφανειακή και ογκομετρική διαστολή - Ασκήσεις. Επιλυθείσα ανακτήθηκε στις 8 Μαΐου 2018, από το Fisimat: fisimat.com.mx
2. Επιφανειακή Διόγκωση - Ασκήσεις που έχουν επιλυθεί. Ανακτήθηκε στις 8 Μαΐου 2018, από το Fisimat: fisimat.com.mx
3. Θερμική επέκταση. Ανακτήθηκε στις 8 Μαΐου 2018, από Encyclopædia Britannica: britannica.com
4. Θερμική επέκταση. Ανακτήθηκε στις 8 Μαΐου 2018, από Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Θερμική επέκταση. Ανακτήθηκε στις 8 Μαΐου 2018, από την Lumen Learning: courses.lumenlearning.com
6. Θερμική επέκταση. Ανακτήθηκε στις 8 Μαΐου 2018, από το βιβλίο The Physics Hypertextbook: physics.info
7. Θερμική επέκταση. Ανακτήθηκε στις 8 Μαΐου 2018, από τη Wikipedia: en.wikipedia.org.