ЧТО ТАКОЕ ОБЪЕМНОЕ РАСШИРЕНИЕ? (С ПРИМЕРАМИ) - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2025

Расширение объема - это физическое явление, связанное с изменением трех измерений тела. Объем или размеры большинства веществ увеличиваются при нагревании; Это явление известно как тепловое расширение, однако есть вещества, которые сжимаются при нагревании.

Хотя изменения объема для твердых тел относительно невелики, они имеют большое техническое значение, особенно в ситуациях, когда желательно соединить материалы, которые расширяются по-разному.

Форма некоторых твердых тел искажается при нагревании и может расширяться в одних направлениях и сжиматься в других. Однако, когда есть расширение только в определенном количестве измерений, существует классификация таких расширений:

• Линейное расширение происходит, когда преобладают вариации в определенном измерении, таком как длина, ширина или высота тела.
• Расширение поверхности - это расширение, при котором преобладают вариации в двух из трех измерений.
• Наконец, объемное расширение подразумевает изменение трех измерений тела.

Основные понятия, связанные с тепловым расширением

Термальная энергия

Материя состоит из атомов, которые находятся в непрерывном движении, либо движутся, либо колеблются. Кинетическая энергия (или энергия движения), с которой движутся атомы, называется тепловой энергией, чем быстрее они движутся, тем больше тепловой энергии они имеют.

Горячий

Тепло - это тепловая энергия, передаваемая между двумя или более веществами или от одной части вещества к другой в макроскопическом масштабе. Это означает, что горячее тело может отдать часть своей тепловой энергии и воздействовать на находящееся рядом тело.

Количество передаваемой тепловой энергии зависит от природы близлежащего тела и окружающей среды, которая их разделяет.

температура

Понятие температуры является фундаментальным для изучения воздействия тепла, температура тела - это мера его способности передавать тепло другим телам.

Два тела, находящиеся во взаимном контакте или разделенные подходящей средой (проводником тепла), будут иметь одинаковую температуру, если между ними нет теплового потока. Точно так же тело X будет иметь более высокую температуру, чем тело Y, если тепло течет от X к Y.

Каковы основные свойства теплового расширения?

Это явно связано с изменением температуры: чем выше температура, тем больше расширение. Это также зависит от внутренней структуры материала, в термометре расширение ртути намного больше, чем расширение стекла, которое ее содержит.

Что является основной причиной теплового расширения?

Повышение температуры означает увеличение кинетической энергии отдельных атомов в веществе. В твердом теле, в отличие от газа, атомы или молекулы расположены близко друг к другу, но их кинетическая энергия (в виде небольших быстрых колебаний) отделяет атомы или молекулы друг от друга.

Это расстояние между соседними атомами становится все больше и больше, что приводит к увеличению размера твердого тела.

Для большинства веществ в обычных условиях не существует предпочтительного направления, в котором происходит тепловое расширение, и повышение температуры приведет к увеличению размера твердого вещества на определенную долю в каждом измерении.

Линейное расширение

Самый простой пример расширения - расширение в одном (линейном) измерении. Экспериментально установлено, что изменение длины ΔL вещества пропорционально изменению температуры ΔT и начальной длины Lo (рис. 1). Мы можем представить это следующим образом:

DL = aLoDT

где α - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом линейного расширения, и характерен для каждого материала. Некоторые значения этого коэффициента приведены в таблице А.

Коэффициент линейного расширения выше для материалов, которые подвергаются большему расширению на каждый градус Цельсия при повышении их температуры.

Поверхностное расширение

Когда внутри твердого тела берется плоскость, так что эта плоскость подвергается тепловому расширению (рисунок 2), изменение площади ΔA определяется как:

DA = 2aA0

где ΔA - изменение начальной площади Ao, T - изменение температуры, α - коэффициент линейного расширения.

Объемное расширение

Как и в предыдущих случаях, изменение объема ΔV можно аппроксимировать соотношением (Рисунок 3). Это уравнение обычно записывается следующим образом:

DV = bVoDT

где β - коэффициент объемного расширения и приблизительно равен 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, показаны значения коэффициентов объемного расширения для некоторых материалов.

Как правило, вещества расширяются при повышении температуры, а вода является наиболее важным исключением из этого правила. Вода расширяется, когда ее температура повышается, когда она превышает 4ºC.

Однако он также расширяется при понижении его температуры в диапазоне от 4 ° C до 0 ° C. Этот эффект можно наблюдать, когда воду помещают в холодильник, вода расширяется при замерзании, и из-за этого расширения трудно удалить лед из емкости.

Примеры

Различия в объемном расширении могут привести к интересным эффектам на заправочной станции. Примером может служить капля бензина в бак, который только что залили в жаркий день.

Бензин охлаждает стальной бак, когда он заливается, и как бензин, так и бак расширяются вместе с температурой окружающего воздуха. Однако бензин расширяется намного быстрее, чем сталь, что приводит к его вытеканию из бака.

Разница в расширении между бензином и баком, в котором он находится, может вызвать проблемы при считывании показаний указателя уровня топлива. Количество бензина (масса), остающееся в баке, когда манометр показывает пустой, летом намного меньше, чем зимой.

Когда загорается сигнальная лампа, бензин имеет одинаковый объем на обеих станциях, но из-за того, что бензин расширяется летом, он имеет меньшую массу.

В качестве примера вы можете рассмотреть полностью стальной бензобак емкостью 60 л. Если температура бака и бензина составляет 15ºC, сколько бензина будет пролито к тому времени, когда они достигнут температуры 35ºC?

Бак и бензин увеличатся в объеме из-за повышения температуры, но бензин увеличится больше, чем бак. Так что пролитый бензин будет отличаться в ваших изменениях объема. Уравнение объемного расширения затем можно использовать для расчета изменения объема:

Тогда объем, разлитый при повышении температуры, равен:

Объединив эти 3 уравнения в одно, мы получим:

Из таблицы 2 получают значения коэффициента объемного расширения, подставляя значения:

Хотя это количество пролитого бензина относительно невелико по сравнению с резервуаром объемом 60 л, эффект удивительный, поскольку бензин и сталь расширяются очень быстро.

Библиография

1. Йен Хо Чо, Тейлор Р. Термическое расширение твердых тел ASM International, 1998.
2. Х. Ибах, Ханс Лют Физика твердого тела: Введение в принципы материаловедения Springer Science & Business Media, 2003.
3. Холлидей Д., Резник Р., Крейн К. Физика, Том 1. Wiley, 2001.
4. Мартин К. Мартин, Чарльз А. Хьюетт Элементы классической физики Elsevier, 2013.
5. Земанский Марк В. Тепло и термодинамика. От редакции Агилар, 1979.