Τι είναι η ογκομετρική διαστολή; (Με παραδείγματα)

Η ογκομετρική διαστολή είναι ένα φυσικό φαινόμενο που υποδηλώνει μια παραλλαγή στις τρεις διαστάσεις ενός σώματος. Ο όγκος ή οι διαστάσεις των περισσότερων ουσιών αυξάνονται όταν υποβάλλονται σε θερμότητα. Αυτό είναι ένα φαινόμενο γνωστό ως θερμική επέκταση, ωστόσο υπάρχουν και ουσίες που συστέλλονται όταν θερμαίνονται.

Αν και οι μεταβολές του όγκου είναι σχετικά μικρές για τα στερεά, έχουν μεγάλη τεχνική σημασία, κυρίως σε περιπτώσεις όπου είναι επιθυμητό να ενταχθούν υλικά που επεκτείνονται με διαφορετικό τρόπο..

Το σχήμα ορισμένων στερεών υφίσταται παραμόρφωση όταν θερμαίνεται και μπορεί να επεκταθεί σε ορισμένες κατευθύνσεις και να συστέλλεται σε άλλες. Ωστόσο, όταν υπάρχει μόνο διαστολή σε ένα ορισμένο αριθμό διαστάσεων, υπάρχει μια ταξινόμηση για τέτοιες επεκτάσεις:

• Η γραμμική διαστολή συμβαίνει όταν κυριαρχεί η μεταβολή της συγκεκριμένης διάστασης, όπως το μήκος, το πλάτος ή το ύψος του σώματος.
• Η επιφανειακή διαστολή είναι αυτή όπου κυριαρχεί η παραλλαγή σε δύο από τις τρεις διαστάσεις.
• Τέλος, η ογκομετρική διαστολή συνεπάγεται μια παραλλαγή στις τρεις διαστάσεις ενός σώματος.

Ευρετήριο

• 1 Βασικές έννοιες που σχετίζονται με τη θερμική επέκταση
  • 1.1 Θερμική ενέργεια
  • 1.2 Θερμότητα
  • 1.3 Θερμοκρασία
• 2 Ποιες είναι οι βασικές ιδιότητες της θερμικής διαστολής?
• 3 Ποια είναι η βασική αιτία της θερμικής επέκτασης?
  • 3.1 Γραμμική επέκταση
  • 3.2 Επιφανειακή διαστολή
  • 3.3 Ογκομετρική διαστολή
• 4 Παραδείγματα
• 5 Βιβλιογραφία

Βασικές έννοιες που σχετίζονται με τη θερμική επέκταση

Θερμική ενέργεια

Το θέμα αποτελείται από άτομα που βρίσκονται σε συνεχή κίνηση, είτε κινούμενα είτε δονητικά. Η ενέργεια κινητική (ή κίνηση) με την οποία κινούνται τα άτομα λέγεται θερμική ενέργεια, η ταχύτερα κινούμενο, υψηλότερη θερμική ενέργεια που έχει.

Θερμό

Θερμότητα είναι η θερμική ενέργεια που μεταφέρεται μεταξύ δύο ή περισσοτέρων ουσιών ή από μία ουσία σε άλλη σε μακροσκοπική κλίμακα. Αυτό σημαίνει ότι ένα ζεστό σώμα μπορεί να δώσει μέρος της θερμικής του ενέργειας και να επηρεάσει ένα σώμα κοντά σε αυτό.

Η ποσότητα της θερμικής ενέργειας που μεταφέρεται εξαρτάται από τη φύση του κοντινού σώματος και του μέσου που τα χωρίζει.

Θερμοκρασία

Η έννοια της θερμοκρασίας είναι θεμελιώδης για τη μελέτη των επιπτώσεων της θερμότητας, η θερμοκρασία ενός σώματος είναι το μέτρο της ικανότητάς του να μεταφέρει θερμότητα σε άλλα σώματα.

Δύο σώματα που βρίσκονται σε αμοιβαία επαφή ή διαχωρίζονται από κατάλληλο μέσο (αγωγός θερμότητας) θα βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία εάν δεν υπάρχει ροή θερμότητας μεταξύ τους. Ομοίως, ένα σώμα Χ θα βρίσκεται σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από αυτή ενός σώματος και εάν η θερμότητα ρέει από το Χ στο Υ.

Ποιες είναι οι βασικές ιδιότητες της θερμικής διαστολής?

Συνδέεται σαφώς με μια αλλαγή θερμοκρασίας, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερη είναι η επέκταση. Εξαρτάται επίσης από την εσωτερική δομή του υλικού, σε ένα θερμόμετρο, η διόγκωση του υδραργύρου είναι πολύ μεγαλύτερη από την επέκταση του γυαλιού που το περιέχει.

Ποια είναι η βασική αιτία της θερμικής διαστολής?

Η αύξηση της θερμοκρασίας συνεπάγεται αύξηση της κινητικής ενέργειας των μεμονωμένων ατόμων σε μια ουσία. Σε ένα στερεό, αντίθετα από ένα αέριο, τα άτομα ή τα μόρια είναι στενά μεταξύ τους, αλλά η κινητική τους ενέργεια (με τη μορφή μικρών και ταχέων δονήσεων) διαχωρίζει τα άτομα ή τα μόρια από το άλλο.

Αυτός ο διαχωρισμός μεταξύ γειτονικών ατόμων γίνεται όλο και μεγαλύτερος και οδηγεί σε αύξηση του μεγέθους του στερεού.

Για τις περισσότερες ουσίες υπό κανονικές συνθήκες, δεν υπάρχει κατεύθυνση προτιμώμενη στην οποία λαμβάνει χώρα θερμική διαστολή και η αύξηση της θερμοκρασίας θα αυξήσει το μέγεθος του στερεού με ένα ορισμένο κλάσμα σε κάθε διάσταση.

Γραμμική διάταση

Το πιο απλό παράδειγμα διαστολής είναι η επέκταση σε μία διάσταση (γραμμική). Πειραματικά έχει βρεθεί ότι η αλλαγή στο μήκος .DELTA.L μιας ουσίας είναι ανάλογη προς τη μεταβολή της θερμοκρασίας .DELTA.T και το αρχικό μήκος Lo (Σχήμα 1). Μπορούμε να το αντιπροσωπεύσουμε με τον ακόλουθο τρόπο:

DL = aLoDT

όπου α είναι ένας συντελεστής αναλογικότητας που ονομάζεται συντελεστής γραμμικής διαστολής και είναι χαρακτηριστικός για κάθε υλικό. Ορισμένες τιμές αυτού του συντελεστή εμφανίζονται στον πίνακα Α.

Ο συντελεστής γραμμικής διαστολής είναι μεγαλύτερος για τα υλικά που παρουσιάζουν μεγαλύτερη ανάπτυξη για κάθε βαθμό εκατοστά που αυξάνει τη θερμοκρασία του.

Επιφανειακή διάταση

Όταν ένα επίπεδο τραβιέται μέσα σε ένα συμπαγές σώμα, έτσι ώστε αυτό το επίπεδο να είναι αυτό που υφίσταται τη θερμική διαστολή (Σχήμα 2), η αλλαγή στην περιοχή ΔΑ δίνεται από:

DA = 2aA0

όπου ΔA είναι η μεταβολή στην αρχική περιοχή Ao, T είναι η μεταβολή της θερμοκρασίας και α είναι ο συντελεστής γραμμικής διαστολής.

Ογκομετρική διαστολή

Όπως και στις προηγούμενες περιπτώσεις, η μεταβολή του όγκου ΔV μπορεί να προσεγγιστεί με τη σχέση (Εικόνα 3). Αυτή η εξίσωση συνήθως γράφεται ως εξής:

DV = bVoDT

όπου β είναι ο συντελεστής ογκομετρικής διαστολής και είναι περίπου ίσος με 3α Λα τα ßλα 2 φαίνονται οι τιμές των συντελεστών ογκομετρικής διαστολής για ορισμένα υλικά.

Γενικά, οι ουσίες θα επεκτείνονται υπό την αύξηση της θερμοκρασίας, το νερό είναι η σημαντικότερη εξαίρεση στον κανόνα αυτό. Το νερό διογκώνεται όταν η θερμοκρασία του αυξάνεται όταν υπερβαίνει τους 4ºC.

Ωστόσο, επίσης διαστέλλεται για να μειωθεί η θερμοκρασία του στην περιοχή από 4 ° C έως 0 ° C. Αυτό το αποτέλεσμα μπορεί να παρατηρηθεί όταν το νερό τοποθετείται σε ένα ψυγείο, το νερό διαστέλλεται κατά την κατάψυξη και είναι δύσκολο να απομακρυνθεί τον πάγο από το δοχείο του από το εν λόγω διαστολής.

Παραδείγματα

Οι διαφορές στην ογκομετρική διαστολή μπορεί να οδηγήσουν σε ενδιαφέροντα αποτελέσματα σε ένα βενζινάδικο. Ένα παράδειγμα είναι η στάλαξη βενζίνης σε μια δεξαμενή που έχει μόλις γεμίσει κατά τη διάρκεια μιας ζεστής ημέρας.

Η βενζίνη ψύχει τη δεξαμενή χάλυβα όταν χύνεται και τόσο η βενζίνη όσο και η δεξαμενή αναπτύσσονται με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος αέρα. Ωστόσο, η βενζίνη διαστέλλεται πολύ γρηγορότερα από τον χάλυβα, και έτσι στάζει έξω από τη δεξαμενή.

Η διαφορά στην επέκταση μεταξύ της βενζίνης και της δεξαμενής που την περιέχει μπορεί να προκαλέσει προβλήματα κατά την ανάγνωση του δείκτη στάθμης καυσίμου. Η ποσότητα βενζίνης (μάζας) που παραμένει σε μια δεξαμενή όταν η ένδειξη φτάσει σε ένα επίπεδο κενού είναι πολύ χαμηλότερη το καλοκαίρι από ό, τι το χειμώνα.

Η βενζίνη έχει την ίδια ένταση και στις δύο εποχές, όταν η λυχνία ανάβει, αλλά επειδή το αέριο διαστέλλεται κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, έχει μικρότερη μάζα.

Για παράδειγμα, μπορεί να θεωρηθεί πλήρης δεξαμενή βενζίνης χάλυβα, χωρητικότητας 60L. Εάν η θερμοκρασία της δεξαμενής είναι 15 ° C και βενζίνης, πόσο βενζίνη διαρροή κατά τον χρόνο όταν φθάσουν σε θερμοκρασία 35 ° C?

Η δεξαμενή και η βενζίνη θα αυξηθούν σε όγκο λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας, αλλά η βενζίνη θα αυξηθεί περισσότερο από τη δεξαμενή. Έτσι, η χυμένη βενζίνη θα είναι η διαφορά των αλλαγών όγκου σας. Η εξίσωση ογκομετρικής επέκτασης μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των μεταβολών όγκου:

Ο όγκος που χύνεται από την αύξηση της θερμοκρασίας είναι τότε:

Συνδυάζοντας αυτές τις 3 εξισώσεις σε μία, έχουμε:

Από τον πίνακα 2 λαμβάνονται οι τιμές του συντελεστή ογκομετρικής διαστολής αντικαθιστώντας τις τιμές:

Παρόλο που αυτή η ποσότητα του χυμένου αερίου είναι σχετικά ασήμαντη σε σύγκριση με μια δεξαμενή των 60 λίτρων, το αποτέλεσμα είναι εκπληκτικό καθώς η βενζίνη και ο χάλυβας επεκτείνονται πολύ γρήγορα.

Βιβλιογραφία

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Θερμική επέκταση στερεών ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Φυσική Στερεάς Κατάστασης: Εισαγωγή στις Αρχές της Επιστήμης των Υλικών Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane Κ. Physics, Τόμος 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Στοιχεία Κλασικής Φυσικής Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Θερμότητας και Θερμοδυναμικής. Επεξεργασία Aguilar, 1979.