CE ESTE DILATAREA VOLUMETRICĂ? (CU EXEMPLE) - FIZIC - 2025

Expansiunea volumului este un fenomen fizic care implică o schimbare în cele trei dimensiuni ale unui corp. Volumul sau dimensiunile majorității substanțelor cresc atunci când sunt supuse căldurii; Acesta este un fenomen cunoscut sub numele de expansiune termică, cu toate acestea există și substanțe care se contractă atunci când sunt încălzite.

Deși modificările de volum sunt relativ mici pentru solide, acestea au o importanță tehnică deosebită, mai ales în situațiile în care doriți să vă alăturați materiale care se extind diferit.

Forma unor solide este deformată atunci când este încălzită și se poate extinde în unele direcții și se poate contracta în altele. Cu toate acestea, atunci când există doar o dilatație într-un anumit număr de dimensiuni, există o clasificare pentru astfel de extinderi:

• Dilatația liniară apare atunci când predomină variația într-o anumită dimensiune, cum ar fi lungimea, lățimea sau înălțimea corpului.
• Dilatarea suprafeței este una în care predomină variația în două dintre cele trei dimensiuni.
• În cele din urmă, dilatarea volumetrică implică o variație a celor trei dimensiuni ale unui corp.

Conceptele de bază legate de expansiunea termică

Energie termală

Materia este formată din atomi care sunt în mișcare continuă, fie în mișcare, fie în vibrație. Energia cinetică (sau mișcare) cu care se mișcă atomii se numește energie termică, cu atât se mișcă mai repede, cu atât mai multă energie termică are.

Fierbinte

Căldura este energia termică transferată între două sau mai multe substanțe sau de la o porție de substanță la alta la scară macroscopică. Aceasta înseamnă că un corp fierbinte poate renunța la o parte din energia sa termică și poate afecta un corp apropiat.

Cantitatea de energie termică transferată depinde de natura corpului din apropiere și de mediul care le separă.

Temperatura

Conceptul de temperatură este fundamental pentru a studia efectele căldurii, temperatura unui corp este măsura capacității sale de a transfera căldura în alte corpuri.

Două corpuri aflate în contact reciproc sau separate de un mediu adecvat (conductor de căldură) vor fi la aceeași temperatură dacă nu există un flux de căldură între ele. În mod similar, un corp X va fi la o temperatură mai mare decât un corp Y dacă căldura curge de la X la Y.

Care sunt proprietățile de bază ale expansiunii termice?

Este clar legată de o schimbare a temperaturii, cu cât temperatura este mai mare, cu atât este mai mare expansiunea. Depinde și de structura internă a materialului, într-un termometru, expansiunea mercurului este mult mai mare decât expansiunea sticlei care o conține.

Care este cauza fundamentală a expansiunii termice?

O creștere a temperaturii implică o creștere a energiei cinetice a atomilor individuali dintr-o substanță. Într-un solid, spre deosebire de un gaz, atomii sau moleculele sunt strâns împreună, dar energia lor cinetică (sub formă de vibrații mici, rapide) separă atomii sau moleculele unul de celălalt.

Această separare între atomii vecini devine din ce în ce mai mare și duce la o creștere a dimensiunii solidului.

Pentru majoritatea substanțelor în condiții obișnuite, nu există o direcție preferată în care are loc expansiunea termică, iar creșterea temperaturii va crește dimensiunea solidului cu o anumită fracție în fiecare dimensiune.

Dilatație liniară

Cel mai simplu exemplu de dilatare este extinderea într-o dimensiune (liniară). Experimental se constată că modificarea lungimii ΔL a unei substanțe este proporțională cu schimbarea temperaturii ΔT și a lungimii inițiale Lo (Figura 1). Putem reprezenta acest lucru în felul următor:

DL = aLoDT

unde α este un coeficient de proporționalitate numit coeficient de expansiune liniară și este caracteristic pentru fiecare material. Unele valori ale acestui coeficient sunt prezentate în tabelul A.

Coeficientul de expansiune liniară este mai mare pentru materialele care experimentează o expansiune mai mare pentru fiecare grad Celsius, pe măsură ce temperatura lor crește.

Dilatație superficială

Când un avion este luat în interiorul unui corp solid, astfel încât acest plan să fie cel care suferă expansiune termică (figura 2), schimbarea ariei ΔA este dată de:

DA = 2aA0

unde ΔA este schimbarea ariei inițiale Ao, T este modificarea temperaturii și α este coeficientul de expansiune liniară.

Dilatația volumetrică

Ca și în cazurile anterioare, modificarea volumului ΔV poate fi aproximată cu relația (Figura 3). Această ecuație este de obicei scrisă astfel:

DV = bVoDT

unde β este coeficientul de expansiune volumetrică și este aproximativ egal cu 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, sunt prezentate valorile coeficienților de expansiune volumetrică pentru unele materiale.

În general, substanțele se vor extinde sub o creștere a temperaturii, apa fiind cea mai importantă excepție de la această regulă. Apa se extinde atunci când temperatura acesteia crește atunci când este mai mare de 4ºC.

Totuși, se extinde și atunci când temperatura acesteia scade în intervalul de la 4 ° C la 0 ° C. Acest efect poate fi observat atunci când apa este introdusă într-un frigider, apa se extinde atunci când îngheață și este dificil să îndepărtați gheața din recipientul său datorită acestei expansiuni.

Exemple

Diferențele de expansiune volumetrică pot duce la efecte interesante la o benzinărie. Un exemplu este benzina care se scurge într-un rezervor care tocmai a fost umplut într-o zi fierbinte.

Benzina răcește rezervorul de oțel atunci când este turnat, și benzina și rezervorul se extind odată cu temperatura aerului din jur. Cu toate acestea, benzina se extinde mult mai repede decât oțelul, determinând scurgerea din rezervor.

Diferența de expansiune între benzina și rezervorul care o conține poate cauza probleme la citirea gabaritului nivelului de combustibil. Cantitatea de benzină (masă) rămasă într-un rezervor atunci când gabaritul ajunge gol este mult mai mică vara decât iarna.

Benzina are același volum în ambele stații atunci când se aprinde lampa de avertizare, dar din cauza faptului că benzina se extinde în timpul verii, are o masă mai mică.

Ca exemplu, puteți lua în considerare un rezervor de gaz din oțel complet, cu o capacitate de 60L. Dacă temperatura rezervorului și a benzinei este de 15ºC, câtă benzină va fi vărsată până când vor ajunge la o temperatură de 35ºC?

Rezervorul și benzina vor crește în volum din cauza creșterii temperaturii, dar benzina va crește mai mult decât rezervorul. Deci, benzina vărsată va fi diferența în modificările de volum. Ecuația de expansiune volumetrică poate fi apoi utilizată pentru a calcula modificările de volum:

Volumul vărsat de creșterea temperaturii este atunci:

Combinând aceste 3 ecuații într-una, avem:

Din tabelul 2 se obțin valorile coeficientului de expansiune volumetrică, înlocuind valori:

Deși această cantitate de benzină vărsată este relativ nesemnificativă comparativ cu un rezervor de 60 L, efectul este surprinzător, deoarece benzina și oțelul se extind foarte repede.

Bibliografie

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Extinderea termică a solidelor ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Fizica în stare solidă: o introducere în principiile științei materialelor Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, Volumul 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elements of Physical Classics Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Căldură și termodinamică. Editorial Aguilar, 1979.