Sự giãn nở thể tích là gì? (Có ví dụ)

Sự giãn nở thể tích là một hiện tượng vật lý ngụ ý một sự thay đổi trong ba chiều của cơ thể. Khối lượng hoặc kích thước của hầu hết các chất tăng khi chịu nhiệt; Đây là một hiện tượng được gọi là giãn nở nhiệt, tuy nhiên cũng có những chất co lại khi bị nung nóng.

Mặc dù sự thay đổi âm lượng tương đối nhỏ đối với chất rắn, nhưng chúng có tầm quan trọng kỹ thuật lớn, chủ yếu trong các tình huống mong muốn tham gia các vật liệu mở rộng theo một cách khác..

Hình dạng của một số chất rắn bị biến dạng khi bị nung nóng và có thể mở rộng theo một số hướng và co lại ở một số khác. Tuy nhiên, khi chỉ có sự giãn nở trong một số kích thước nhất định, có một phân loại cho các mở rộng như vậy:

• Sự giãn nở tuyến tính xảy ra khi sự thay đổi trong một kích thước cụ thể chiếm ưu thế, chẳng hạn như chiều dài, chiều rộng hoặc chiều cao của cơ thể.
• Sự giãn nở bề ngoài là ở chỗ sự biến đổi ở hai trong ba chiều chiếm ưu thế.
• Cuối cùng, sự giãn nở thể tích ngụ ý một sự thay đổi trong ba chiều của cơ thể.

Chỉ số

• 1 Các khái niệm cơ bản liên quan đến giãn nở nhiệt
  • 1.1 Nhiệt năng
  • 1.2 Nhiệt
  • 1.3 Nhiệt độ
• 2 các tính chất cơ bản của giãn nở nhiệt là gì?
• 3 nguyên nhân cơ bản của sự giãn nở nhiệt là gì?
  • 3.1 Mở rộng tuyến tính
  • 3.2 Sự giãn nở bề mặt
  • 3.3 Độ giãn nở thể tích
• 4 ví dụ
• 5 Tài liệu tham khảo

Các khái niệm cơ bản liên quan đến giãn nở nhiệt

Năng lượng nhiệt

Vật chất được tạo thành từ các nguyên tử chuyển động liên tục, chuyển động hoặc rung. Động năng (hay chuyển động) mà các nguyên tử chuyển động được gọi là năng lượng nhiệt, chúng di chuyển càng nhanh, năng lượng nhiệt mà chúng sở hữu càng nhiều.

Nhiệt

Nhiệt là năng lượng nhiệt được truyền giữa hai hoặc nhiều chất hoặc từ chất này sang chất khác ở quy mô vĩ mô. Điều này có nghĩa là một cơ thể nóng có thể từ bỏ một phần năng lượng nhiệt của nó và ảnh hưởng đến một cơ thể gần với nó.

Lượng năng lượng nhiệt được truyền phụ thuộc vào bản chất của cơ thể gần đó và môi trường phân tách chúng.

Nhiệt độ

Khái niệm nhiệt độ là cơ bản để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt, nhiệt độ của cơ thể là thước đo khả năng truyền nhiệt của nó sang các cơ thể khác.

Hai cơ thể tiếp xúc với nhau hoặc cách nhau bởi một môi trường thích hợp (chất dẫn nhiệt) sẽ ở cùng nhiệt độ nếu không có dòng nhiệt giữa chúng. Tương tự như vậy, một cơ thể X sẽ được tìm thấy ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ của cơ thể và nếu nhiệt truyền từ X đến Y.

Các tính chất cơ bản của giãn nở nhiệt là gì?

Nó rõ ràng liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ, nhiệt độ càng cao, sự giãn nở càng lớn. Nó cũng phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của vật liệu, trong nhiệt kế, sự giãn nở của thủy ngân lớn hơn nhiều so với sự giãn nở của thủy tinh chứa nó.

Nguyên nhân cơ bản của sự giãn nở nhiệt là gì?

Sự gia tăng nhiệt độ ngụ ý sự gia tăng động năng của các nguyên tử riêng lẻ trong một chất. Trong chất rắn, không giống như chất khí, các nguyên tử hoặc phân tử gần nhau, nhưng động năng của chúng (dưới dạng dao động nhỏ và nhanh) tách các nguyên tử hoặc phân tử ra khỏi nhau.

Sự tách biệt giữa các nguyên tử lân cận ngày càng lớn hơn và dẫn đến sự gia tăng kích thước của vật rắn.

Đối với hầu hết các chất trong điều kiện bình thường, không có hướng ưa thích trong đó xảy ra sự giãn nở nhiệt và sự tăng nhiệt độ sẽ làm tăng kích thước của vật rắn lên một phần nhất định trong mỗi chiều.

Độ giãn tuyến tính

Ví dụ đơn giản nhất về sự giãn nở là sự mở rộng theo một chiều (tuyến tính). Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng sự thay đổi độ dài L của một chất tỷ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ T và chiều dài ban đầu Lo (Hình 1). Chúng tôi có thể trình bày điều này theo cách sau:

DL = aLoDT

Trong đó α là một hệ số tỷ lệ được gọi là hệ số giãn nở tuyến tính và là đặc trưng của từng vật liệu. Một số giá trị của hệ số này được hiển thị trong bảng A.

Hệ số giãn nở tuyến tính lớn hơn đối với các vật liệu trải qua sự giãn nở lớn hơn cho mỗi độ C làm tăng nhiệt độ của nó.

Sự giãn nở bề mặt

Khi một mặt phẳng được lấy bên trong một vật thể rắn, để mặt phẳng này là mặt phẳng trải qua quá trình giãn nở nhiệt (Hình 2), sự thay đổi trong khu vực ΔA được đưa ra bởi:

DA = 2aA0

Trong đó A là thay đổi trong khu vực ban đầu Ao, T là thay đổi nhiệt độ và α là hệ số giãn nở tuyến tính.

Độ giãn nở thể tích

Như trong các trường hợp trước, sự thay đổi trong âm lượng ΔV có thể xấp xỉ với mối quan hệ (Hình 3). Phương trình này thường được viết như sau:

DV = bVoDT

Trong đó β là hệ số giãn nở thể tích và xấp xỉ bằng 3α α α ßλα 2 các giá trị của các hệ số giãn nở thể tích đối với một số vật liệu được hiển thị.

Nói chung, các chất sẽ giãn nở dưới sự gia tăng nhiệt độ, nước là ngoại lệ quan trọng nhất đối với quy tắc này. Nước nở ra khi nhiệt độ của nó tăng lên khi nó cao hơn 4 CC.

Tuy nhiên, nó cũng mở rộng khi giảm nhiệt độ trong khoảng 4 ° C xuống 0 ° C. Hiệu ứng này có thể được quan sát khi nước được đặt trong tủ lạnh, nước nở ra khi đóng băng và rất khó để lấy đá từ thùng chứa của nó bằng cách mở rộng này.

Ví dụ

Sự khác biệt trong giãn nở thể tích có thể dẫn đến các hiệu ứng thú vị trong một trạm xăng. Một ví dụ là giọt xăng trong một chiếc xe tăng vừa được đổ đầy trong một ngày nóng.

Xăng làm mát thùng thép khi đổ, và cả xăng và bình đều giãn nở với nhiệt độ của không khí xung quanh. Tuy nhiên, xăng giãn nở nhanh hơn nhiều so với thép, và do đó chảy ra khỏi bình.

Sự khác biệt trong việc mở rộng giữa xăng và bình chứa nó có thể gây ra vấn đề khi đọc chỉ báo mức nhiên liệu. Lượng xăng (khối lượng) còn lại trong một thùng khi chỉ báo đạt đến mức chân không vào mùa hè thấp hơn nhiều so với mùa đông.

Xăng có cùng một thể tích ở cả hai trạm khi đèn cảnh báo bật sáng, nhưng vì xăng giãn ra trong mùa hè, nên nó có khối lượng thấp hơn.

Ví dụ, nó có thể được coi là một bình xăng bằng thép đầy đủ, có dung tích 60L. Nếu nhiệt độ của bình và xăng là 15 CC, bao nhiêu khí sẽ bị đổ khi chúng đạt đến nhiệt độ 35 CC?

Bình xăng và xăng sẽ tăng về thể tích do nhiệt độ tăng, nhưng xăng sẽ tăng hơn bình. Vì vậy, xăng đổ sẽ là sự khác biệt của sự thay đổi âm lượng của bạn. Phương trình mở rộng thể tích sau đó có thể được sử dụng để tính toán sự thay đổi âm lượng:

Khối lượng bị đổ bởi sự gia tăng nhiệt độ là:

Kết hợp 3 phương trình này trong một, chúng ta có:

Từ bảng 2, các giá trị của hệ số giãn nở thể tích thu được, thay thế các giá trị:

Mặc dù lượng khí tràn này tương đối không đáng kể so với bể 60 L, nhưng hiệu quả thật đáng ngạc nhiên vì xăng và thép giãn nở rất nhanh.

Tài liệu tham khảo

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Mở rộng nhiệt của chất rắn ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Vật lý chất rắn: Giới thiệu về Nguyên tắc Khoa học Vật liệu Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Vật lý, Tập 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Các yếu tố vật lý cổ điển Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Nhiệt và Nhiệt động lực học. Biên tập viên, năm 1979.