Vad är volymetrisk dilation? (Med exempel)



Volumetrisk dilatering är ett fysiskt fenomen som innebär en variation i kroppens tre dimensioner. Volymen eller dimensionerna för de flesta ämnen ökar när de utsätts för värme; Detta är ett fenomen som kallas termisk expansion, men det finns också ämnen som kontrakt när de upphettas.

Även om volymförändringarna är relativt små för fasta ämnen är de av stor teknisk betydelse, i huvudsak i situationer där det är önskvärt att gå med i material som expanderar på ett annat sätt..

Formen av vissa fasta ämnen lider av förvrängning när de upphettas och kan expandera i vissa riktningar och kontrakt i andra. Men när det bara finns dilatation i ett visst antal dimensioner, finns det en klassificering för sådana expansioner:

  • Linjär utvidgning sker när variationen i en viss dimension överväger, såsom kroppens längd, bredd eller höjd.
  • Den ytliga dilatationen är det där variationen i två av de tre dimensionerna dominerar.
  • Slutligen innebär volymetrisk dilatering en variation i kroppens tre dimensioner.

index

  • 1 Grundläggande begrepp relaterade till termisk expansion
    • 1.1 Termisk energi
    • 1,2 Värme
    • 1.3 Temperatur
  • 2 Vilka är de grundläggande egenskaperna hos termisk expansion?
  • 3 Vad är den grundläggande orsaken till termisk expansion?
    • 3.1 Linjär expansion
    • 3.2 Surface dilation
    • 3,3 volymetrisk utvidgning
  • 4 exempel
  • 5 Bibliografi

Grundläggande begrepp relaterade till termisk expansion

Termisk energi

Materia består av atomer som är i kontinuerlig rörelse, antingen rörande eller vibrerande. Den kinetiska energin (eller rörelsen) med vilken atomerna rör sig kallas termisk energi, ju snabbare de rör sig desto mer termisk energi har de.

hetta

Värme är den termiska energin som överförs mellan två eller flera substanser eller från en substans till en annan i makroskopisk skala. Det innebär att en het kropp kan ge upp en del av sin värmeenergi och påverka en kropp nära den.

Mängden överförd värmeenergi beror på karaktären hos den närliggande kroppen och mediet som skiljer dem.

temperatur

Temperaturbegreppet är grundläggande för att studera effekterna av värme, temperaturen hos en kropp är måttet på förmågan att överföra värme till andra kroppar.

Två kroppar i ömsesidig kontakt eller separerad av ett lämpligt medium (värmeledare) kommer att ligga vid samma temperatur om det inte finns något värmeflöde mellan dem. På samma sätt kommer en kropp X att hittas vid en temperatur som är större än den hos en kropp och om värmen strömmar från X till Y.

Vilka är de grundläggande egenskaperna hos termisk expansion?

Det är tydligt relaterat till en temperaturförändring, ju högre temperaturen desto större är expansionen. Det beror också på materialets interna struktur, i en termometer är expansionen av kvicksilver mycket större än expansionen av glaset som innehåller det.

Vad är den grundläggande orsaken till termisk expansion?

En ökning i temperaturen innebär en ökning av den kinetiska energin hos enskilda atomer i en substans. I en fast, till skillnad från en gas är atomerna eller molekylerna nära varandra, men deras kinetiska energi (i form av små och snabba vibrationer) separerar atomer eller molekyler från varandra.

Denna separation mellan närliggande atomer blir allt större och resulterar i en ökning av fastämnets storlek.

För de flesta ämnen under vanliga förhållanden föreligger ingen föredragen riktning i vilken termisk expansion sker och temperaturökningen ökar soliditeten med en viss fraktion i varje dimension.

Linjär dilatation

Det enklaste exemplet på utvidgning är expansion i en dimension (linjär). Det har experimentellt visat sig att förändringen i längd ΔL för en substans är proportionell mot temperaturförändringen ΔT och den ursprungliga längden Lo (Figur 1). Vi kan representera detta på följande sätt:

DL = aLoDT

där α är en proportionalitetskoefficient som kallas linjär expansionskoefficient och är karakteristisk för varje material. Vissa värden för denna koefficient visas i tabell A.

Linjär expansionskoefficienten är större för material som upplever en större expansion för varje grader Celsius som ökar sin temperatur.

Ytutvidgning

När ett plan tas in i en fast kropp, så att detta plan är det som genomgår termisk expansion (Figur 2), är förändringen i området AA given av:

DA = 2aA0

där ΔA är förändringen i initialområdet Ao, är T temperaturförändringen och a är linjär expansionskoefficienten.

Volumetrisk utvidgning

Som i tidigare fall kan förändringen i volymen ΔV approximeras med förhållandet (Figur 3). Denna ekvation skrivs vanligtvis enligt följande:

DV = bVoDT

där β är volymetrisk expansionskoefficient och är ungefär lika med 3a Λα τα ßλα 2 visas värdena för koefficienterna för volymetrisk expansion för vissa material.

Generellt kommer ämnen att expandera under en temperaturökning, vatten är det viktigaste undantaget från denna regel. Vatten expanderar när temperaturen ökar när den är högre än 4ºC.

Det expanderar emellertid även vid minskning av temperaturen i intervallet 4 ° C till 0 ° C. Denna effekt kan observeras när vatten sätts in i kylskåp, vattnet expanderar vid frysning och det är svårt att extrahera isen från behållaren genom denna expansion.

exempel

Skillnader i volymetrisk utvidgning kan leda till intressanta effekter i en bensinstation. Ett exempel är dropp av bensin i en tank som just har fyllts under en varm dag.

Bensin kyler ståltanken när den hälls, och både bensin och tank expanderar med omgivande luftens temperatur. Däremot diletterar bensin mycket snabbare än stål, och droppar därmed ut ur tanken.

Skillnaden i expansionen mellan bensinen och tanken som innehåller den kan orsaka problem när man läser bränsledivitetsindikatorn. Mängden bensin (massa) kvar i en tank när indikatorn når en vakuumnivå är mycket lägre på sommaren än på vintern.

Bensin har samma volym vid båda stationerna när varningslampan tänds, men eftersom bensin utvidgas under sommaren har den en lägre massa.

Som ett exempel kan det betraktas som en fullstål bensinbehållare med en kapacitet på 60 liter. Om tankens och bensins temperatur är 15ºC, hur mycket gas kommer att spillas när de når en temperatur på 35ºC?

Tanken och bensinen ökar i volym på grund av temperaturökningen, men bensin ökar mer än tanken. Så, den spillda bensinen blir skillnaden i dina volymförändringar. Den volymetriska expansionsjämförelsen kan sedan användas för att beräkna volymförändringar:

Volymen som sänks av temperaturökningen är då:

Kombinera dessa 3 ekvationer i en har vi:

Från tabell 2 erhålles värdena för koefficienten för volymetrisk expansion, varvid värden ersätts:

Även om denna mängd av spilld gas är relativt obetydlig jämfört med en 60 liter tank är effekten överraskande eftersom bensin och stål expanderar mycket snabbt.

bibliografi

  1. Yen Ho Cho, Taylor R. Thermal Expansion of Solids ASM International, 1998.
  2. H. Ibach, Hans Lüth Solid State Physics: En introduktion till principerna för materialvetenskap Springer Science & Business Media, 2003.
  3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, Volym 1. Wiley, 2001.
  4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Element av klassisk fysik Elsevier, 2013.
  5. Zemansky Mark W. Värme och termodynamik. Redaktionell Aguilar, 1979.