Термично дилатиране: коефициент, типове и упражнения
Термичното разширение е увеличаването или изменението на различни метрични размери (като дължина или обем), претърпени от тяло или физически обект. Този процес се дължи на повишаването на температурата около материала. В случай на линейна дилатация, тези промени се случват в едно измерение.
Коефициентът на това разширение може да бъде измерен чрез сравняване на стойността на количеството преди и след процеса. Някои материали страдат от противоположно на термично разширение; това означава, че става "отрицателно". Тази концепция предлага някои материали да се сключват, когато са изложени на определени температури.
Що се отнася до твърдите вещества, за описване на разширяването му се използва линеен коефициент на разширение. От друга страна, за извършване на изчисленията се използва обемна стойност на коефициента на разширение за течностите.
В случай на кристализирани твърди вещества, ако е изометрична, дилатацията ще бъде обща във всички размери на кристала. Ако тя не е изометрична, по протежение на кристала могат да се намерят различни коефициенти на разширение и тя ще промени размера й при промяна на температурата.
Коефициент на топлинно разширение
Коефициентът на топлинно разширение (Y) се дефинира като радиус на промяната, през който преминава материал поради промяната на неговата температура. Този коефициент е представен от символа α за твърди вещества и β за течности и се ръководи от Международната система от единици.
Коефициентите на топлинно разширение варират, когато става въпрос за твърдо, течно или газообразно вещество. Всеки един има различна особеност.
Например, разширяването на твърдо вещество може да се види по дължина. Обемният коефициент е един от най-основните по отношение на флуидите и промените са забележителни във всички посоки; Този коефициент се използва и при изчисляване на разширяването на газ.
Отрицателно термично разширение
Отрицателното термично разширение настъпва в някои материали, които вместо да увеличават размерите си при високи температури, се свиват поради ниски температури.
Този вид термично разширение обикновено се наблюдава в отворени системи, където се наблюдават насочени взаимодействия - както в случая на лед, така и в комплексни съединения - и при някои зеолити, Cu2O.
По същия начин, някои изследвания показват, че негативното термично разширение се среща и в еднокомпонентни решетки в компактна форма и с централно взаимодействие на силите.
Ясен пример за отрицателно топлинно разширение може да се види при добавяне на лед към чаша вода. В този случай високата температура на течността върху леда не води до увеличаване на размера, а по-скоро намалява размера на същата.
тип
При изчисляване на дилатацията на физически обект, трябва да се има предвид, че в зависимост от температурната промяна, споменатият обект може да се увеличи или свие своя размер.
Някои обекти не изискват драстична промяна на температурата, за да променят техния размер, така че е вероятно стойността, изчислена от изчисленията, да е средна.
Както всички процеси, термичното разширение се разделя на няколко типа, които обясняват всеки феномен поотделно. В случая на твърди вещества, видовете термично разширение са линейно разширяване, обемно разширение и дилатация на повърхността.
Линейна дилатация
При линейна дилатация преобладава единична промяна. В този случай единствената единица, която претърпява промяна, е височината или ширината на обекта.
Лесен начин за изчисляване на този вид разширение е чрез сравняване на стойността на количеството преди промяната на температурата със стойността на количеството след промяната на температурата.
Обемна дилатация
В случай на обемно разширение, начинът за изчисляването му е чрез сравняване на обема на флуида преди промяната на температурата с обема на течността след изменението на температурата. Формулата за изчисляване е:
Разширяване на повърхността или областта
В случай на повърхностна дилатация, увеличаването на площта на тялото или обекта се наблюдава при промяна на нейната температура до 1 ° С.
Това разширяване работи за твърди вещества. Ако имате и линейния коефициент, можете да видите, че размерът на обекта ще бъде два пъти по-голям. Формулата за изчисляване е:
A f = A 0 [1 + YA (T f - T 0 )]
В този израз:
γ = коефициент на разширение на площта [° C-1]
A 0 = Начална зона
A f = Окончателна площ
T 0 = Начална температура.
T f = Крайна температура
Разликата между дилатацията на площта и линейната дилатация е, че в първата има промяна в увеличаването на площта на обекта, а във втората - на единично измерване (тъй като може да бъде дължината или ширина на физическия обект).
Примери
Първо упражнение (линейна дилатация)
Релсите, които съставляват коловоза на влак, изграден от стомана, са с дължина 1500 m. Каква ще бъде дължината на времето, когато температурата се движи от 24 до 45 ° C?
разтвор
информация:
L0 (начална дължина) = 1500 m
L f (крайна дължина) =?
T (начална температура) = 24 ° C
Tf (крайна температура) = 45 ° С
α (линеен коефициент на разширение, съответстващ на стомана) = 11 x 10-6 ° C-1
Данните се заменят по следната формула:
Въпреки това, първо трябва да знаем стойността на температурната разлика, за да включим тези данни в уравнението. За да постигнете тази разлика, извадете най-високата температура от най-ниската.
T = 45 ° С - 24 ° С = 21 ° С
След като тази информация е известна, е възможно да се използва предишната формула:
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
Второ упражнение (повърхностна дилатация)
В една гимназия продажбата на стъкло има площ от 1, 4 м ^ 2, ако температурата е 21 ° C. Каква ще бъде Вашата последна площ, когато температурата се повиши до 35 ° C?
разтвор
Af = A0 [1 + (Tf - T0)]
Af = 1.4 m2 [1] 204.4 x 10-6]
Af = 1.4 m2. 1.0002044
Af = 140028616 m2
Защо се случва дилацията?
Всеки знае, че целият материал е съставен от различни субатомни частици. Чрез промяна на температурата, или повишаване, или понижаване, тези атоми започват процес на движение, който може да промени формата на обекта.
Когато температурата се повиши, молекулите започват да се движат бързо поради увеличаването на кинетичната енергия и следователно формата или обемът на обекта ще се увеличи.
В случай на отрицателни температури се случва обратното, в този случай обемът на обекта обикновено се свива при ниски температури.
