VAD ÄR VOLYMETRISK UTVIDGNING? (MED EXEMPEL) - FYSISK - 2025

Den expansionsvolym är ett fysikaliskt fenomen som involverar en förändring i de tre dimensionerna av en kropp. Volymen eller måtten hos de flesta ämnen ökar när de utsätts för värme; Detta är ett fenomen som kallas termisk expansion, men det finns också ämnen som sammandras när de värms upp.

Även om volymförändringarna är relativt små för fasta ämnen, är de av stor teknisk betydelse, särskilt i situationer där det är önskvärt att sammanfoga material som expanderar annorlunda.

Formen på vissa fasta ämnen förvrängs vid uppvärmning och kan expandera i vissa riktningar och sammandras i andra. Men när det bara är utvidgning i ett visst antal dimensioner, finns det en klassificering för sådana utvidgningar:

• Linjär utvidgning inträffar när variationer i en viss dimension dominerar, såsom kroppens längd, bredd eller höjd.
• Ytutvidgning är en där variation i två av de tre dimensionerna dominerar.
• Slutligen innebär volymetrisk utvidgning en variation i kroppens tre dimensioner.

Grundläggande koncept relaterade till termisk expansion

Värmeenergi

Materiet består av atomer som är i kontinuerlig rörelse, antingen rörliga eller vibrerande. Den kinetiska (eller rörelse) energin som atomer rör sig kallas termisk energi, ju snabbare de rör sig, desto mer termisk energi har de.

Varm

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

Mängden överförd värmeenergi beror på naturen hos den närliggande kroppen och miljön som skiljer dem.

Temperatur

Begreppet temperatur är grundläggande för att studera effekterna av värme, temperaturen på en kropp är måttet på dess förmåga att överföra värme till andra kroppar.

Två kroppar i ömsesidig kontakt eller separerade med ett lämpligt medium (värmeledare) kommer att vara vid samma temperatur om det inte finns något värmeflöde mellan dem. På liknande sätt kommer en kropp X att ha en högre temperatur än en kropp Y om värme flödar från X till Y.

Vilka är de grundläggande egenskaperna för termisk expansion?

Det är tydligt relaterat till en temperaturförändring, ju högre temperatur, desto större är expansionen. Det beror också på den inre strukturen i materialet, 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 av temperaturen innebär en ökning av den individuella atomen i en substans kinetisk energi. I ett fast ämne, till skillnad från en gas, är atomerna eller molekylerna nära varandra, men deras kinetiska energi (i form av små, snabba vibrationer) separerar atomerna eller molekylerna från varandra.

Denna separering mellan angränsande atomer blir större och större och resulterar i en ökning av det fasta ämnets storlek.

För de flesta ämnen under vanliga förhållanden finns det ingen föredragen riktning i vilken värmeutvidgning sker, och ökande temperatur kommer att öka det fasta ämnets storlek med en viss fraktion i varje dimension.

Linjär utvidgning

Det enklaste exemplet på utvidgning är expansion i en (linjär) dimension. Experimentellt har det visat sig att förändringen i längd ΔL för ett ämne är proportionell mot förändringen i temperatur ΔT och den initiala längden Lo (figur 1). Vi kan representera detta på följande sätt:

DL = aLoDT

där a är en proportionalitetskoefficient som kallas den linjära expansionens koefficient och är karakteristisk för varje material. Vissa värden på denna koefficient visas i tabell A.

Koefficienten för linjär expansion är högre för material som upplever större expansion för varje grad Celsius som deras temperatur stiger.

Ytlig utvidgning

När ett plan tas i en fast kropp, så att detta plan är det som genomgår termisk expansion (figur 2), ges förändringen i område ΔA av:

DA = 2aA0

där ΔA är förändringen i det initiala området Ao, T är förändringen i temperatur och α är koefficienten för linjär expansion.

Volumetrisk utvidgning

Liksom i tidigare fall kan förändringen i volym ΔV approximeras med förhållandet (figur 3). Denna ekvation skrivs vanligtvis enligt följande:

DV = bVoDT

där ß är koefficienten för volumetrisk expansion och är ungefär lika med 3 to ∝ τ∝ ßλ∝ 2, visas värdena på koefficienterna för volumetrisk expansion för vissa material.

I allmänhet kommer ämnen att expandera under en temperaturökning, eftersom vatten är det viktigaste undantaget från denna regel. Vatten expanderar när temperaturen ökar när det är högre än 4 ° C.

Den expanderar emellertid också när temperaturen sjunker inom området 4 ° C till 0 ° C. Denna effekt kan observeras när vatten sätts i kylskåp, vattnet expanderar när det fryser och det är svårt att ta bort isen från sin behållare på grund av denna expansion.

exempel

Skillnader i volumetrisk expansion kan leda till intressanta effekter på en bensinstation. Ett exempel är bensin som droppar in i en tank som just har fyllts på en varm dag.

Bensinen kyler ståltanken när den hälls, och både bensinen och tanken expanderar med temperaturen på den omgivande luften. Emellertid expanderar bensin mycket snabbare än stål, vilket gör att den läcker ut ur tanken.

Skillnaden i expansion mellan bensin och tanken som innehåller den kan orsaka problem vid läsning av bränslenivån. Mängden bensin (massa) som finns kvar i en tank när mätaren når tom är mycket mindre på sommaren än på vintern.

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

Som ett exempel kan du ta hänsyn till en full gastank i stål med en kapacitet på 60L. Om temperaturen på tanken och bensinen är 15 ºC, hur mycket bensin kommer att spillas när de når en temperatur på 35 ºC?

Tank och bensin kommer att öka i volym på grund av temperaturökningen, men bensinen kommer att öka mer än tanken. Så den spillda bensinen kommer att vara skillnaden i dina volymförändringar. Den volymetriska expansionsekvationen kan sedan användas för att beräkna volymförändringarna:

Volymen som spills av temperaturökningen är då:

Genom att kombinera dessa tre ekvationer i en har vi:

Från tabell 2 erhålls värdena på den volymetriska expansionskoefficienten och ersätter värden:

Även om denna mängd spilld bensin är relativt obetydlig jämfört med en 60L-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: An Introduction to Principles of Material Science Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, Volym 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elements of Classical Physics Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Värme och termodynamik. Redaktör Aguilar, 1979.