מהו הרחבת נפח? (עם דוגמאות)

התרחבות נפחית היא תופעה פיזית שמשמעותה וריאציה בשלושת הממדים של הגוף. נפח או ממדים של רוב החומרים להגדיל כאשר חשופים לחום; זוהי תופעה המכונה התפשטות תרמית, אולם ישנם גם חומרים החוזה כאשר מחומם.

אמנם השינויים בנפח הם קטנים יחסית עבור מוצקים, הם בעלי חשיבות טכנית רבה, בעיקר במצבים שבהם הוא הרצוי להצטרף חומרים להרחיב באופן שונה..

הצורה של כמה מוצקים סובל עיוות כאשר מחומם והוא יכול להרחיב בכמה כיוונים וחוזים אחרים. עם זאת, כאשר יש רק התרחבות במספר מסוים של מידות, יש סיווג עבור הרחבות כאלה:

• התרחבות לינארית מתרחשת כאשר השוני בממד מסוים שולט, כגון אורך, רוחב או גובה של הגוף.
• ההתרחבות השטחית היא שבה השתנות בשני של שלושה ממדים שולטת.
• לבסוף, התרחבות volumetric מרמז על וריאציה של שלושת הממדים של הגוף.

אינדקס

• מושגים בסיסיים הקשורים להתרחבות תרמית
  • 1.1 אנרגיה תרמית
  • 1.2 חום
  • 1.3 טמפרטורה
• 2 מהם המאפיינים הבסיסיים של התפשטות תרמית?
• 3 מהו הגורם הבסיסי להתרחבות תרמית?
  • 3.1 הרחבה ליניארית
  • 3.2 התפשטות משטחית
  • 3.3 התרחבות נפחית
• 4 דוגמאות
• 5 ביבליוגרפיה

מושגים בסיסיים הקשורים להתרחבות תרמית

אנרגיה תרמית

החומר מורכב מאטומים שנמצאים בתנועה מתמשכת, או נעים או רוטטים. האנרגיה הקינטית (או התנועה) שאיתה מעברים אטומים נקראת אנרגיה תרמית, ככל שהם נעים מהר יותר, האנרגיה התרמית יותר שהם מחזיקים בהם.

מחממים

החום הוא האנרגיה התרמית המועברת בין שני חומרים או יותר או מחומר אחד למשנהו בקנה מידה מקרוסקופי. משמעות הדבר היא כי גוף חם יכול לוותר על חלק מהאנרגיה התרמית שלה להשפיע על גוף קרוב אליו.

כמות האנרגיה התרמית המועברת תלויה בטבע הגוף הסמוך והאמצעי המפריד ביניהם.

טמפרטורה

הרעיון של הטמפרטורה הוא היסוד ללמוד את ההשפעות של חום, הטמפרטורה של הגוף הוא מדד של היכולת שלה להעביר חום לגופים אחרים.

שני גופים במגע הדדי או מופרדים על ידי מדיום מתאים (מוליך חום) יהיו באותה טמפרטורה אם אין זרימת חום ביניהם. כמו כן, גוף X יימצא בטמפרטורה גדולה מזו של הגוף ואם החום זורם מ X ל- Y.

מה הם המאפיינים הבסיסיים של התפשטות תרמית?

זה קשור בבירור לשינוי הטמפרטורה, ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך ההתרחבות גדולה יותר. זה גם תלוי במבנה הפנימי של החומר, במדחום, הרחבת כספית הוא הרבה יותר גדול מאשר הרחבת הזכוכית המכילה את זה.

מהי הסיבה הבסיסית להתפשטות תרמית?

עלייה בטמפרטורה מרמזת על עלייה באנרגיה הקינטית של אטומים בודדים בחומר. במצב מוצק, שלא כמו גז, האטומים או המולקולות קרובים זה לזה, אך האנרגיה הקינטית שלהם (בצורת ויברציות קטנות ומהירות) מפרידה בין אטומים או מולקולות זה מזה.

ההפרדה בין האטומים השכנים גדלה והולכת וגדלה בגודלו של החומר המוצק.

עבור רוב החומרים בתנאים רגילים, אין כיוון מועדף שבו מתרחשת התרחבות תרמית, והעלייה בטמפרטורה תגדיל את הגודל של המוצק על ידי חלק מסוים בכל ממד.

הרחבה לינארית

הדוגמה הפשוטה ביותר של התרחבות היא הרחבה בממד אחד (ליניארי). נמצא כי השינוי באורך ΔL של חומר הוא יחסי לשינוי הטמפרטורה ΔT והאורך הראשוני Lo (איור 1). אנו יכולים לייצג זאת באופן הבא:

DL = aLoDT

כאשר α הוא מקדם המידתיות הנקרא מקדם ההתרחבות הליניארית והוא אופייני לכל חומר. ערכים מסוימים של מקדם זה מוצגים בטבלה א '.

מקדם ההתרחבות הליניארית גדול יותר עבור חומרים אשר חווים התרחבות גדולה יותר עבור כל דרגה מעלות אשר עולה הטמפרטורה שלה.

הרחבת פני השטח

כאשר מטוס נלקח בתוך גוף מוצק, כך המטוס הזה הוא אחד שעובר התפשטות תרמית (איור 2), השינוי באזור ΔA ניתנת על ידי:

DA = 2aA0

כאשר ΔA הוא השינוי באזור הראשוני Ao, T הוא השינוי בטמפרטורה ו- α הוא מקדם ההתרחבות הליניארית.

התרחבות נפחית

כמו במקרים הקודמים, השינוי בנפח ΔV יכול להיות בקירוב עם היחס (איור 3). משוואה זו נכתבת בדרך כלל כדלקמן:

DV = bVoDT

כאשר β הוא מקדם ההרחבה הוולומטרית והוא שווה בערך ל 3α Λα τα ßλα 2 הערכים של המקדמים של הרחבת נפח עבור חומרים מסוימים מוצגים.

באופן כללי, חומרים ירחיב תחת עלייה בטמפרטורה, מים הוא החריג החשוב ביותר לכלל זה. המים מתרחבים כאשר הטמפרטורה עולה כאשר היא גבוהה מ 4 מעלות צלסיוס.

עם זאת, הוא גם מתרחב על הפחתת הטמפרטורה בטווח של 4 ° C עד 0 ° C. השפעה זו ניתן לראות כאשר המים לשים בתוך המקרר, המים מתרחבת בעת הקפאה קשה לחלץ את הקרח מן המיכל שלה על ידי הרחבה זו.

דוגמאות

הבדלים בהתרחבות נפח יכולים להוביל להשפעות מעניינות בתחנת דלק. דוגמה לכך היא טפטוף של דלק בתוך טנק כי יש רק מילאו במהלך יום חם.

בנזין מתקרר מיכל פלדה כאשר הוא שפך, וגם בנזין טנק להרחיב עם הטמפרטורה של האוויר שמסביב. עם זאת, בנזין מרחיב הרבה יותר מהר מאשר פלדה, ובכך מטפטף מתוך הטנק.

ההבדל בהרחבה בין הבנזין לבין הטנק המכיל אותו עלול לגרום לבעיות בעת קריאת מחוון מפלס הדלק. כמות הבנזין (המסה) שנותרה במיכל כאשר המחוון מגיע לרמת ואקום נמוכה בהרבה בקיץ מאשר בחורף.

בנזין יש נפח זהה בשני תחנות כאשר האזהרה נדלקת, אבל בגלל דלק מתרחב במהלך הקיץ, יש לה מסה נמוכה.

כדוגמה, זה יכול להיחשב מלא פלדה טנק דלק, עם קיבולת של 60L. אם הטמפרטורה של המיכל והבנזין היא 15 מעלות צלזיוס, כמה גז יישפך כאשר הם מגיעים לטמפרטורה של 35ºC?

הטנק והבנזין יגדל נפח בשל עליית הטמפרטורה, אבל בנזין יגדל יותר מאשר הטנק. אז, בנזין שנשפך יהיה ההבדל של השינויים בנפח שלך. לאחר מכן ניתן להשתמש במשוואת ההתרחבות הוולומטרית כדי לחשב את השינויים בנפח:

הנפח שנשפך על ידי עליית הטמפרטורה הוא אז:

שילוב של 3 משוואות אלו, יש לנו:

מטבלה 2 מתקבלים ערכי מקדם ההרחבה הוולומטרית, ומחליפים ערכים:

למרות שכמות זו של גז שנשפך אינה משמעותית יחסית לטנק של 60 ליטר, ההשפעה מפתיעה מאחר והבנזין והפלדה מתרחבים מהר מאוד.

ביבליוגרפיה

1. ין הו צ 'ו, טיילור ר' הרחבה תרמית של מוצקים ASM הבינלאומי, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth פיזיקה של מצב מוצק: מבוא לעקרונות מדע החומרים ספרינגר מדע ומדיה עסקים, 2003.
3. האלידיי ד ', רזניק ר', קריין ק 'פיזיקה, כרך 1. ויילי, 2001.
4. מרטין ג 'מרטין, צ' ארלס א Hewett אלמנטים של פיסיקה קלאסית Elsevier, 2013.
5. זמאנסקי מארק וו 'חום ותרמודינמיקה. עריכה אגילר, 1979.