TOPLINSKA DILATACIJA: KOEFICIJENT, VRSTE I VJEŽBE - FIZIČKA - 2024

Toplinsko širenje povećava ili varijacije različitih dimenzija metričke (poput duljine ili volumenu) koji se podvrgava fizičko objekt ili tijela. Ovaj se proces događa zbog povećanja temperature koja okružuje materijal. U slučaju linearne dilatacije, ove promjene se događaju u samo jednoj dimenziji.

Koeficijent ove ekspanzije može se mjeriti usporedbom vrijednosti veličine prije i nakon postupka. Neki materijali trpe suprotno od toplinskog širenja; to jest, postaje "negativan". Ovaj koncept predlaže da se neki materijali skupe kada su izloženi određenim temperaturama.

Toplinsko širenje u vodi

Za krute tvari koristi se linearni koeficijent ekspanzije za opisivanje njihovog širenja. S druge strane, za tekućine se koristi volumenski koeficijent ekspanzije za proračun.

U slučaju kristaliziranih krutih tvari, ako je izometrijska, ekspanzija će biti opća u svim dimenzijama kristala. Ako nije izometričan, u cijeloj čaši mogu se naći različiti koeficijenti ekspanzije, a mijenjat će i svoju veličinu kad se temperatura promijeni.

Koeficijent toplinske dilatacije

Koeficijent toplinske ekspanzije (Y) definira se kao polumjer promjene kroz koji je prošao materijal uslijed promjene njegove temperature. Taj je koeficijent predstavljen simbolom α za krute tvari i β za tekućine, a vodi ga Međunarodni sustav jedinica.

Koeficijenti toplinskog širenja variraju kada je u pitanju krutina, tekućina ili plin. Svaka od njih ima različitu posebnost.

Na primjer, dilatacija krute tvari može se vidjeti duž duljine. Volumetrijski koeficijent jedan je od najosnovnijih u pogledu fluida, a promjene su uočljive u svim smjerovima; Taj se koeficijent koristi i za izračunavanje širenja plina.

Negativna toplinska ekspanzija

Negativna toplinska ekspanzija javlja se kod nekih materijala koji se umjesto povećanja s visokim temperaturama skupljaju zbog niskih temperatura.

Ova vrsta toplinske ekspanzije obično se opaža u otvorenim sustavima gdje se opažaju usmjerene interakcije - u slučaju leda - ili kod složenih spojeva - kao što se događa s nekim zeolitima, između ostalog, Cu2O.

Isto tako, neka su istraživanja pokazala da se negativno toplinsko širenje događa i u jednokomponentnim rešetkama u kompaktnom obliku i s interakcijom središnje sile.

Jasan primjer negativnog toplinskog širenja može se vidjeti kada u čašu vode dodamo led. U ovom slučaju, visoka temperatura tekućine na ledu ne uzrokuje povećanje veličine, već se smanjuje veličina leda.

vrste

Prilikom izračunavanja ekspanzije fizičkog objekta mora se uzeti u obzir da se ovisno o promjeni temperature navedeni objekt može povećati ili smanjiti u veličini.

Neki objekti ne zahtijevaju drastičnu promjenu temperature da bi promijenili svoju veličinu, tako da je vjerovatno da je vrijednost vraćena izračunima prosječna.

Kao i svaki postupak, toplinska ekspanzija je podijeljena u nekoliko vrsta koje objašnjavaju svaki fenomen odvojeno. U slučaju krutih tvari, vrste toplinske ekspanzije su linearno širenje, volumetrijsko i površinsko širenje.

Linearna dilatacija

U linearnoj dilataciji prevladava jedna varijacija. U ovom slučaju jedina jedinica koja prolazi kroz promjenu je visina ili širina predmeta.

Jednostavan način izračunavanja ove vrste dilatacije je usporedbom vrijednosti magnitude prije promjene temperature sa vrijednošću nakon promjene temperature.

Volumetrijska dilatacija

U slučaju volumetrijskog širenja, način izračunavanja je usporedbom volumena tekućine prije promjene temperature s volumenom fluida nakon promjene temperature. Formula za izračunavanje je:

Dilatacija površine ili površine

U slučaju površinske dilatacije, opaža se povećanje površine tijela ili predmeta zbog promjene njegove temperature na 1 ° C.

Ovo širenje djeluje na krute tvari. Ako imamo i linearni koeficijent, možemo vidjeti da će veličina objekta biti 2 puta veća. Formula za izračunavanje je:

A _f = A ₀

U ovom izrazu:

γ = koeficijent širenja područja

A ₀ = početno područje

A _f = Završno područje

T ₀ = Početna temperatura.

T _f = Konačna temperatura

Razlika između dilatacije područja i linearne dilatacije je u tome što u prvom vidite povećanje promjene na površini objekta, a u drugom je promjena jedne jedinice (kao što su duljina ili širina fizičkog objekta).

Primjeri

Prva vježba (linearna dilatacija)

Tračnice koje čine tračnicu vlaka od čelika imaju duljinu od 1500 m. Kolika će biti zemljopisna duljina kada temperatura kreće od 24 do 45 ° C?

Riješenje

Podaci:

Lο (početna duljina) = 1500 m

L _f (krajnja duljina) =?

Tο (početna temperatura) = 24 ° C

T _f (konačna temperatura) = 45 ° C

α (koeficijent linearne ekspanzije koji odgovara čeliku) = 11 x 10 ^-6 ° C ^-1

Podaci su supstituirani u sljedećoj formuli:

Međutim, prvo morate znati vrijednost temperaturne razlike da biste uključili ove podatke u jednadžbu. Da bi se postigla ta razlika, najviša temperatura se mora oduzeti od najniže.

Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C

Nakon što se saznaju ove informacije, moguće je koristiti prethodnu formulu:

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

Druga vježba (površna dilatacija)

U srednjoj školi čaša ima površinu 1,4 m ^ 2, ako je temperatura 21 ° C. Koje će biti njegovo krajnje područje s povećanjem temperature na 35 ° C?

Riješenje

Af = A0

Af = 1,4 m ² 204,4 x 10 ^-6]

Af = 1,4 m ². 1,0002044

Af = 1.40028616 m ²

Zašto se dilatacija događa?

Svi znaju da je sav materijal sastavljen od raznih subatomskih čestica. Izmjenom temperature ili podizanjem ili spuštanjem, ti atomi započinju proces kretanja koji može modificirati oblik predmeta.

Kada se temperatura podigne, molekule se počinju naglo kretati zbog povećanja kinetičke energije, a time će se povećati oblik ili volumen predmeta.

U slučaju negativnih temperatura događa se suprotno, u ovom slučaju se volumen objekta usporava zbog niskih temperatura.

Reference

1. Linearna, površinska i volumetrijska dilatacija - vježbe. Riješeno Obnovljeno 8. svibnja 2018. od tvrtke Fisimat: fisimat.com.mx
2. Površna dilatacija - riješene vježbe. Preuzeto 8. svibnja 2018. s Fisimat: fisimat.com.mx
3. Toplinsko širenje. Preuzeto 8. svibnja 2018. s Encyclopædia Britannica: britannica.com
4. Toplinsko širenje. Preuzeto 8. svibnja 2018. iz Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Toplinsko širenje. Preuzeto 8. svibnja 2018. iz Lumen Learning: course.lumenlearning.com
6. Toplinsko širenje. Preuzeto 8. svibnja 2018. iz Hypertextbook-a iz fizike: physics.info
7. Toplinsko širenje. Preuzeto 8. svibnja 2018. s Wikipedije: en.wikipedia.org.