Hacimsel genişleme nedir? (Örneklerle)



Volumetrik dilatasyon, bir vücudun üç boyutunda bir çeşitliliği ifade eden fiziksel bir olgudur. Çoğu maddenin hacmi veya boyutları, ısıya maruz kaldıklarında artar; Bu termal genleşme olarak bilinen bir olgudur, ancak ısıtıldığında büzüşen maddeler de vardır..

Hacim değişimleri katı maddeler için nispeten küçük olsa da, esas olarak farklı bir şekilde genişleyen malzemelerin birleştirilmesinin istendiği durumlarda teknik açıdan büyük öneme sahiptir..

Bazı katıların şekli ısıtıldığında bozulmaya uğrar ve bazı yönlerde genişleyebilir ve bazılarında büzüşebilir. Ancak, belirli sayıda boyutta sadece bir genişleme olduğunda, bu genişlemeler için bir sınıflandırma vardır:

  • Doğrusal genişleme, bedenin uzunluğu, genişliği veya yüksekliği gibi belirli bir boyuttaki varyasyonun baskın olduğu durumlarda meydana gelir..
  • Yüzeysel genişleme, üç boyuttan ikisindeki varyasyonun baskın olduğu yerdir.
  • Son olarak, hacimsel dilatasyon, bir vücudun üç boyutunda bir değişiklik anlamına gelir..

indeks

  • 1 Isıl genleşmeyle ilgili temel kavramlar
    • 1.1 Termal enerji
    • 1.2 Isı
    • 1.3 Sıcaklık
  • 2 Isıl genleşmenin temel özellikleri nelerdir??
  • 3 Isıl genleşmenin temel nedeni nedir?
    • 3.1 Doğrusal genişleme
    • 3.2 Yüzey genişletme
    • 3.3 Volumetrik genişleme
  • 4 Örnek
  • 5 Bibliyografya

Isıl genleşmeyle ilgili temel kavramlar

Termal enerji

Madde sürekli hareket halinde olan, hareketli veya titreşimli olan atomlardan oluşur. Atomların hareket ettiği kinetik enerjiye (veya hareket) termal enerji denir, hızlı hareket eder, sahip oldukları termal enerji.

ısı

Isı, makroskopik ölçekte iki veya daha fazla madde arasında veya bir maddeden diğerine transfer edilen termal enerjidir. Bu, sıcak bir vücudun termal enerjisinin bir kısmını bırakabileceği ve ona yakın bir vücudu etkileyebileceği anlamına gelir.

Transfer edilen termal enerji miktarı, yakındaki vücudun yapısına ve onları ayıran ortama bağlıdır.

sıcaklık

Isı kavramı, ısının etkilerini incelemek için esastır, bir vücudun ısısı, ısının diğer gövdelere aktarılma yeteneğinin ölçüsüdür..

Karşılıklı temas halinde olan veya uygun bir ortamla ayrılmış iki gövde (ısı iletkeni), aralarında ısı akışı yoksa aynı sıcaklıkta olacaktır. Benzer şekilde, bir beden X, bir bedeninkinden daha yüksek bir sıcaklıkta ve ısı X'ten Y'ye akarsa bulunur..

Isıl genleşmenin temel özellikleri nelerdir?

Açıkça bir sıcaklık değişimi ile ilgilidir, sıcaklık yükseldikçe, genleşme de artar. Aynı zamanda, malzemenin iç yapısına bağlıdır, bir termometrede cıva genişlemesi, onu içeren camın genişlemesinden çok daha büyüktür..

Isıl genleşmenin temel nedeni nedir?

Sıcaklıktaki bir artış, bir maddede ayrı atomların kinetik enerjisinde bir artış anlamına gelir. Bir gazda, bir gazın aksine, atomlar veya moleküller birbirine yakındır, ancak kinetik enerjileri (küçük ve hızlı titreşimler formunda) atomları veya molekülleri birbirinden ayırır..

Komşu atomlar arasındaki bu ayrım giderek artmakta ve katı boyutunda bir artışa neden olmaktadır..

Sıradan şartlar altındaki çoğu madde için, termal genleşmenin gerçekleştiği tercih edilen bir yön yoktur ve sıcaklıktaki artış, her boyutta belirli bir kesirle katı boyutunu artıracaktır.

Doğrusal dilatasyon

En basit dilasyon örneği, bir boyutta genişlemedir (doğrusal). Deneysel olarak, bir maddenin ΔL uzunluğundaki değişimin, ΔT sıcaklığındaki ve başlangıç ​​Lo uzunluğundaki değişimle orantılı olduğu bulunmuştur (Şekil 1). Bunu şu şekilde temsil edebiliriz:

DL = aLoDT

a, doğrusal genleşme katsayısı olarak adlandırılan bir orantılılık katsayısıdır ve her malzemenin özelliğidir. Bu katsayının bazı değerleri tablo A'da gösterilmektedir..

Doğrusal genleşme katsayısı, sıcaklığını yükselten her santigrat derece için daha büyük bir genleşme yaşayan malzemeler için daha büyüktür.

Yüzey dilatasyonu

Katı bir gövdenin içine bir uçak alındığında, bu düzlem ısıl genleşmeye uğrayan düzlemdir (Şekil 2), ΔA alanındaki değişiklik aşağıdakiler tarafından verilir:

DA = 2aA0

ΔA, başlangıç ​​alanındaki Ao, T, sıcaklıktaki değişimdir ve α, doğrusal genleşme katsayısıdır..

Hacimsel dilatasyon

Önceki durumlarda olduğu gibi, ΔV hacmindeki değişime ilişki ile yaklaşılabilir (Şekil 3). Bu denklem genellikle aşağıdaki gibi yazılır:

DV = bVoDT

β hacimsel genleşme katsayısı ve yaklaşık olarak 3a Λα τα ßλα2 değerine eşit olduğunda, bazı malzemeler için hacimsel genleşme katsayılarının değerleri gösterilmiştir..

Genel olarak, sıcaklığın artmasıyla maddeler genişler, su bu kuralın en önemli istisnasıdır. Su sıcaklığı 4ºC'nin üstüne çıktığında artar..

Bununla birlikte, sıcaklığı 4 ° C ila 0 ° C arasında azaldığında da genişler. Bu etki, buzdolabının içine su konduğunda gözlenebilir, donarken su genleşir ve bu genleşmeyle buzu haznesinden çıkarmak zordur..

Örnekler

Hacimsel genişlemedeki farklılıklar, bir benzin istasyonunda ilginç etkilere neden olabilir. Bir örnek, sıcak bir günde henüz doldurulmuş bir tankta benzin damlamasıdır..

Benzin, dökülürken çelik depoyu soğutur ve hem benzin hem de tank çevreleyen havanın sıcaklığıyla genleşir. Bununla birlikte, benzin çelikten çok daha hızlı bir şekilde genişler ve bu nedenle depodan damlar.

Benzin ile onu içeren depo arasındaki genişlemedeki fark, yakıt seviye göstergesini okurken sorunlara neden olabilir. Gösterge bir vakum seviyesine ulaştığında bir tankta kalan benzin (kütle) miktarı yaz aylarında kıştan çok daha düşüktür..

Uyarı ışığı yandığında benzin her iki istasyonda da aynı hacme sahiptir, ancak benzin yaz boyunca dilate olduğundan, kütlesi daha düşüktür..

Örnek olarak, 60L kapasiteli tam çelik bir benzin deposu olarak kabul edilebilir. Tankın ve benzinin sıcaklığı 15ºC ise, 35ºC sıcaklığa ulaştığında ne kadar gaz dökülür??

Tank ve benzin, sıcaklıktaki artıştan dolayı hacim olarak artacaktır, ancak benzin tanktan daha fazla artacaktır. Böylece dökülen benzin, hacim değişimlerinizin farkı olacaktır. Hacimsel genleşme denklemi daha sonra hacim değişikliklerini hesaplamak için kullanılabilir:

Sıcaklıktaki artışla dökülen hacim şudur:

Bu 3 denklemi bir arada birleştirerek:

Tablo 2'den, hacimsel genişleme katsayısının değerleri, ikame değerler verilmiştir:

Bu dökülen gaz miktarı, 60 L'lik bir tanka kıyasla nispeten önemsiz olmakla birlikte, benzin ve çelik çok hızlı bir şekilde genişlediğinden, etki şaşırtıcıdır..

kaynakça

  1. Yen Ho Cho, Taylor R. Katıların Isıl Genleşmesi ASM International, 1998.
  2. H. Ibach, Hans Lüth Katıhal Fiziği: Malzeme Biliminin İlkelerine Giriş Springer Science & Business Media, 2003.
  3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Fizik, Cilt 1. Wiley, 2001.
  4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Klasik Fizik Elemanları Elsevier, 2013.
  5. Zemansky Mark W. Isı ve Termodinamik. Editoryal Aguilar, 1979.