The objemová dilatace je to fyzikální jev, který implikuje změnu ve třech rozměrech těla. Objem nebo rozměry většiny látek se při působení tepla zvětšují; Toto je jev známý jako tepelná roztažnost, existují však také látky, které se při zahřívání smršťují.
Ačkoli jsou objemové změny u pevných látek relativně malé, mají velký technický význam, zejména v situacích, kdy chcete spojovat materiály, které se roztahují jinak..
Tvar některých pevných látek je při zahřátí zkreslený a v některých směrech se může rozpínat a v jiných smršťovat. Pokud však existuje pouze dilatace v určitém počtu dimenzí, existuje klasifikace pro tato rozšíření:
Rejstřík článků
Hmota se skládá z atomů, které jsou v nepřetržitém pohybu, ať už se pohybují, nebo vibrují. Kinetická (nebo pohybová) energie, se kterou se atomy pohybují, se nazývá tepelná energie, čím rychleji se pohybují, tím více tepelné energie mají.
Teplo je tepelná energie přenášená mezi dvěma nebo více látkami nebo z jedné části látky do druhé v makroskopickém měřítku. To znamená, že horké tělo se může vzdát části své tepelné energie a ovlivnit tělo v jeho blízkosti..
Množství přenesené tepelné energie závisí na povaze blízkého těla a prostředí, které je odděluje..
Koncept teploty je základem pro studium účinků tepla, teplota těla je měřítkem jeho schopnosti přenášet teplo do jiných těles..
Dvě tělesa ve vzájemném kontaktu nebo oddělená vhodným médiem (tepelným vodičem) budou mít stejnou teplotu, pokud mezi nimi nebude proudit teplo. Podobně bude těleso X mít vyšší teplotu než těleso Y, pokud teplo proudí z X do Y..
Jasně to souvisí se změnou teploty, čím vyšší teplota, tím větší rozpínání. Závisí to také na vnitřní struktuře materiálu, v teploměru je expanze rtuti mnohem větší než expanze skla, které ji obsahuje..
Zvýšení teploty znamená zvýšení kinetické energie jednotlivých atomů v látce. V pevné látce jsou atomy nebo molekuly na rozdíl od plynu těsně pohromadě, ale jejich kinetická energie (ve formě malých, rychlých vibrací) odděluje atomy nebo molekuly od sebe navzájem..
Toto oddělení mezi sousedními atomy je čím dál tím větší a má za následek zvětšení velikosti pevné látky..
U většiny látek za běžných podmínek neexistuje žádný preferovaný směr, ve kterém dochází k tepelné roztažnosti, a zvýšení teploty zvýší velikost pevné látky o určitou frakci v každé dimenzi..
Nejjednodušším příkladem dilatace je expanze v jedné (lineární) dimenzi. Experimentálně bylo zjištěno, že změna délky ΔL látky je úměrná změně teploty ΔT a počáteční délce Lo (obrázek 1). Můžeme to reprezentovat takto:
DL = aLoDT
kde α je koeficient proporcionality nazývaný koeficient lineární roztažnosti a je charakteristický pro každý materiál. Některé hodnoty tohoto koeficientu jsou uvedeny v tabulce A.
Koeficient lineární roztažnosti je vyšší u materiálů, u kterých dochází k větší roztažnosti pro každý stupeň Celsia, při kterém jejich teplota stoupá..
Když vezmeme rovinu v pevném tělese, takže tato rovina je rovinou, která prochází tepelnou roztažností (obrázek 2), je změna plochy ΔA dána vztahem:
DA = 2aA0
kde ΔA je změna v počáteční oblasti Ao, T je změna teploty a α je koeficient lineární roztažnosti.
Stejně jako v předchozích případech lze změnu objemu ΔV aproximovat vztahem (obrázek 3). Tato rovnice se obvykle píše takto:
DV = bVoDT
kde β je koeficient objemové roztažnosti a je přibližně roven 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, jsou uvedeny hodnoty objemových roztažných koeficientů pro některé materiály.
Obecně se látky budou zvětšovat při zvýšení teploty, přičemž voda je nejdůležitější výjimkou z tohoto pravidla. Voda se rozšiřuje s rostoucí teplotou, když je vyšší než 4 ° C..
Rovněž se však rozpíná, když jeho teplota klesá v rozmezí 4 ° C až 0 ° C. Tento účinek lze pozorovat, když je voda vložena do chladničky, voda expanduje, když zmrzne, a je obtížné vyjmout led z nádoby kvůli uvedené expanzi..
Rozdíly v objemové roztažnosti mohou na čerpací stanici vést k zajímavým účinkům. Příkladem je benzín kapající do nádrže, která byla právě naplněna v horkém dni..
Benzín ochlazuje ocelovou nádrž, když se nalévá, a jak benzín, tak nádrž se rozpínají s teplotou okolního vzduchu. Benzín se však rozpíná mnohem rychleji než ocel, což způsobuje únik z nádrže..
Rozdíl v expanzi mezi benzínem a nádrží, která jej obsahuje, může způsobit problémy při odečtu ukazatele hladiny paliva. Množství benzínu (hmoty), které zůstane v nádrži, když je měřidlo prázdné, je v létě mnohem menší než v zimě.
Po rozsvícení kontrolky má benzín v obou stanicích stejný objem, ale protože se benzín během léta rozpíná, má nižší hmotnost..
Jako příklad můžete uvést plnou ocelovou nádrž na plyn s objemem 60 litrů. Pokud je teplota nádrže a benzínu 15 ° C, kolik benzínu se vylije, když dosáhnou teploty 35 ° C?
Objem nádrže a benzinu se zvýší v důsledku zvýšení teploty, ale benzín se zvýší více než nádrž. Rozlitý benzín bude tedy rozdílem ve změnách objemu. Rovnici objemové expanze lze poté použít k výpočtu objemových změn:
Objem vylitý zvýšením teploty je pak:
Kombinací těchto 3 rovnic v jedné máme:
Z tabulky 2 jsou získány hodnoty koeficientu objemové roztažnosti nahrazením hodnot:
Ačkoli je toto množství rozlitého benzínu ve srovnání s 60litrovou nádrží relativně nevýznamné, účinek je překvapivý, protože benzín a ocel se velmi rychle rozpínají..
Zatím žádné komentáře