Toplinsko širenje je fizička pojava koja se javlja kada materijal mijenja svoje dimenzije zbog povećanja ili smanjenja temperature. Koeficijent toplinskog širenja je veličina koja mjeri tu promjenu i može se podijeliti u tri vrste: linearno, površinsko i volumetrijsko. U tom kontekstu važno je razumjeti kako izračunati i primijeniti te koeficijente u različitim situacijama, što se može učiniti praktičnim vježbama. U ovom članku istražit ćemo temeljne koncepte toplinskog širenja, njegove koeficijente i predstaviti neke vježbe koje će pomoći u razumijevanju ovog fenomena.
Metoda za određivanje koeficijenta toplinskog širenja materijala.
Za određivanje koeficijenta toplinskog širenja materijala potreban je jednostavan eksperiment. Prvo izmjerite promjenu duljine materijala kada se zagrijava ili hladi. Zatim izračunajte promjenu temperature koju je materijal pretrpio tijekom eksperimenta.
S ovim podacima pri ruci, moguće je koristiti matematičku formulu koja povezuje promjenu duljine, promjenu temperature i koeficijent toplinskog širenja materijala. Koeficijent toplinskog širenja predstavljen je grčkim slovom alfa i mjeri se u jedinicama 1/°C (ili 1/K).
Dakle, koeficijent toplinskog širenja može se odrediti sljedećom formulom:
alfa = (promjena duljine) / (početna duljina x promjena temperature)
Ispravnim izvođenjem izračuna moguće je dobiti koeficijent toplinskog širenja dotičnog materijala. Ova vrijednost je bitna za razumijevanje kako se materijal ponaša pod temperaturnim promjenama i može se koristiti u raznim izračunima i inženjerskim projektima.
Vrste toplinskog širenja: naučite o promjenama u širenju materijala ovisno o temperaturi.
Toplinsko širenje je fenomen prisutan u raznim materijalima, uzrokovan temperaturnim promjenama. Postoje različite vrste toplinskog širenja, svaka sa svojim specifičnim karakteristikama.
Najčešće vrste toplinskog širenja su: linearno širenje, površinska dilatacija e volumetrijsko širenjeLinearno širenje događa se samo u jednoj dimenziji, dok se površinsko širenje događa u dvije dimenzije, a volumetrijsko širenje u tri dimenzije.
Koeficijent toplinskog širenja je veličina koja pokazuje koliko se materijal širi ili skuplja s promjenama temperature. Svaki materijal ima specifičan koeficijent toplinskog širenja, koji se može koristiti za izračun promjene veličine materijala na različitim temperaturama.
Za izračun promjene veličine materijala zbog toplinskog širenja možemo koristiti formulu:
ΔL = α * L * ΔT
gdje ΔL predstavlja promjenu veličine, α je koeficijent toplinskog širenja, L je izvorna veličina materijala, a ΔT je promjena temperature.
Važno je razumjeti različite vrste toplinskog širenja i kako one utječu na materijale, jer to može biti ključno u raznim praktičnim primjenama, poput izgradnje konstrukcija koje moraju izdržati temperaturne promjene.
Ukratko, toplinsko širenje je prirodna pojava koja se javlja u materijalima zbog temperaturnih promjena. Razumijevanje vrsta toplinskog širenja i načina njegovog izračuna ključno je za razumijevanje kako se materijali ponašaju u različitim toplinskim uvjetima.
Toplinsko skupljanje: razumjeti ovaj fenomen na primjeru smanjenja veličine metala.
Toplinska kontrakcija je fenomen koji se javlja kada se materijal smanjuje u veličini zbog smanjenja temperature. Uobičajeni primjer ovog procesa je smanjenje veličine metala pri hlađenju.
Kada se metal zagrijava, njegove čestice se kreću brže, što uzrokuje toplinsko širenje. Suprotno tome, kada se metal hladi, čestice se kreću sporije, što rezultira toplinskim skupljanjem. Ovaj fenomen može se primijetiti u mnogim svakodnevnim situacijama, poput željezničkih tračnica koje se skraćuju tijekom zime.
Važno je napomenuti da se toplinsko skupljanje metala može izračunati pomoću koeficijenta linearnog širenja, koji je mjera promjene duljine materijala kao funkcije promjene temperature. Nadalje, postoje različite vrste toplinskog skupljanja, kao što su izotermno skupljanje i adijabatsko skupljanje.
Ukratko, toplinsko skupljanje je prirodni fenomen koji se javlja kada materijal gubi toplinu i skuplja se. Razumijevanje ovog procesa ključno je za različite industrijske sektore, poput građevinarstva i proizvodnje opreme. Stoga je proučavanje toplinskog skupljanja metala ključno za osiguranje učinkovitosti i trajnosti korištenih materijala.
Koeficijenti ekspanzije: kakav je odnos među njima?
Koeficijenti širenja su veličine koje predstavljaju promjenu dimenzija materijala kao funkciju promjene temperature. Postoje tri vrste koeficijenata širenja: linearni, površinski i volumetrijski. Koeficijent linearnog širenja predstavlja promjenu duljine materijala, koeficijent površinskog širenja predstavlja promjenu površine, a koeficijent volumetrijskog širenja predstavlja promjenu volumena.
Veza između ovih koeficijenata je takva da su svi povezani s toplinskim širenjem materijala. Kada se materijal zagrijava, njegove se molekule kreću brže, što rezultira povećanjem njegovih dimenzija. Svaka vrsta koeficijenta širenja odnosi se na promjenu određene dimenzije materijala.
Na primjer, ako materijal ima koeficijent linearnog širenja od 2 x 10^-5 /°C, to znači da će se za svaki porast temperature od 1°C duljina materijala povećati za 2 x 10^-5 puta u odnosu na početnu duljinu. Slično, ako materijal ima koeficijent površinskog širenja od 4 x 10^-5 /°C, površina materijala će se povećati za 4 x 10^-5 puta u odnosu na početnu površinu za svaki porast temperature od 1°C.
Stoga su koeficijenti širenja izravno povezani s načinom na koji se materijali šire pri zagrijavanju i bitni su za proučavanje i razumijevanje toplinskog širenja materijala.
Toplinsko širenje: koeficijent, vrste i vježbe
A toplinsko širenje Povećanje ili promjena nekoliko metričkih dimenzija (kao što su duljina ili volumen) kojoj podliježe objekt ili fizičko tijelo. Ovaj proces nastaje zbog povećanja temperature koja okružuje materijal. U slučaju linearnog širenja, te se promjene događaju u jednoj dimenziji.
Koeficijent ovog širenja može se izmjeriti usporedbom veličine prije i poslije procesa. Neki materijali podliježu suprotnom toplinskom širenju; to jest, ono postaje "negativno". Ovaj koncept pretpostavlja da se neki materijali skupljaju kada su izloženi određenim temperaturama.
Za čvrste tvari, koeficijent linearnog širenja koristi se za opisivanje njihovog širenja. Obrnuto, volumetrijski koeficijent širenja koristi se za izračune tekućina.
U slučaju kristaliziranih čvrstih tvari, ako je staklo izometrično, širenje će biti opće u svim dimenzijama kristala. Ako nije izometrično, u staklu se mogu naći različiti koeficijenti širenja, a veličina će se mijenjati s promjenom temperature.
Koeficijent toplinskog širenja
Koeficijent toplinskog širenja (Y) definiran je kao radijus promjene koju materijal podvrgava promjeni temperature. Ovaj koeficijent predstavljen je simbolom α za krute tvari i β za tekućine i reguliran je Međunarodnim sustavom mjernih jedinica.
Koeficijenti toplinskog širenja variraju ovisno o tome jesu li u pitanju krute tvari, tekućine ili plinovi. Svaki ima svoje karakteristike.
Na primjer, širenje krute tvari može se promatrati duž duljine. Volumetrijski koeficijent jedan je od najosnovnijih kod fluida, a promjene su vidljive u svim smjerovima; ovaj se koeficijent također koristi u izračunu širenja plina.
Negativno toplinsko širenje
Negativno toplinsko širenje javlja se kod nekih materijala koji se, umjesto da se povećavaju na visokim temperaturama, skupljaju na niskim temperaturama.
Ova vrsta toplinskog širenja općenito se opaža u otvorenim sustavima, gdje se opažaju usmjerene interakcije - kao u slučaju leda - ili u složenim spojevima - kao što je slučaj s nekim zeolitima, Cu2O, između ostalih.
Nadalje, neka istraživanja su pokazala da se negativno toplinsko širenje javlja i u jednokomponentnim mrežama, kompaktno i s centralnom interakcijom sila.
Jasan primjer negativnog toplinskog širenja može se vidjeti kada dodamo led u čašu vode. U ovom slučaju, visoka temperatura tekućine u ledu ne uzrokuje njegovo povećanje, već skupljanje.
Vrsta
Prilikom izračuna širenja fizičkog objekta, mora se uzeti u obzir da se, ovisno o promjeni temperature, taj objekt može povećati ili smanjiti.
Nekim objektima nije potrebna drastična promjena temperature da bi promijenili svoju veličinu, pa će vrijednost prikazana izračunima vjerojatno biti prosječna.
Kao i svaki proces, toplinsko širenje dijeli se na nekoliko vrsta koje objašnjavaju svaku pojavu zasebno. U slučaju čvrstih tvari, vrste toplinskog širenja su linearno širenje, volumetrijsko širenje i površinsko širenje.
Linearno širenje
Kod linearnog širenja prevladava jedna varijacija. U ovom slučaju, jedina jedinica koja se mijenja je visina ili širina objekta.
Jednostavan način za izračunavanje ove vrste širenja je usporedba vrijednosti magnitude prije promjene temperature s vrijednošću magnitude nakon promjene temperature.
Volumetrijsko širenje
U slučaju volumetrijskog širenja, način izračuna je usporedbom volumena fluida prije promjene temperature s volumenom fluida nakon promjene temperature. Formula za izračun je:
Širenje površine ili područja
U slučaju površinskog širenja, opaža se povećanje površine tijela ili predmeta, jer dolazi do promjene temperature od 1 °C.
Ova ekspanzija funkcionira za čvrsta tijela. Ako imate i linearni koeficijent, možete vidjeti da će veličina objekta biti dvostruko veća. Formula za izračun je:
A f = A 0 [1 + YA (T f - T 0 )]
U ovom izrazu:
γ = koeficijent širenja površine [°C -1 ]
A 0 = početno područje
A f = završna površina
T 0 = početna temperatura.
T f = konačna temperatura
Razlika između dilatacije površine i linearne dilatacije je u tome što se kod prve vidi promjena povećanja površine objekta, a kod druge promjena je jedne mjerne jedinice (poput duljine ili širine fizičkog objekta).
Primjeri
Prva vježba (linearna dilatacija)
Tračnice koje čine čeličnu željezničku prugu duge su 1500 m. Kolika će biti njihova duljina kada temperatura poraste s 24 °C na 45 °C?
Riješenje
kocke:
LO (početna duljina) = 1500 m
L f (konačna duljina) =?
A (početna temperatura) = 24 °C
T f (konačna temperatura) = 45 °C
α (koeficijent linearnog širenja koji odgovara čeliku) = 11 x 10 -6 °C -1
Podaci se zamjenjuju u sljedeću formulu:
Međutim, prvo morate znati temperaturnu razliku kako biste je uključili u jednadžbu. Za izračun te razlike, višu temperaturu morate oduzeti od niže.
Δt = 45°C – 24°C = 21°C
Nakon što su ovi podaci poznati, možete koristiti gornju formulu:
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
Druga vježba (površinska dilatacija)
U pripremnoj školi, stakleni povez za oči ima površinu od 1,4 m^2 ako je temperatura 21°C. Kolika će biti njegova konačna površina ako se temperatura poveća na 35°C?
Riješenje
Af = A0 [1 + (Tf – T0)]
Af = 1,4 m 2 [1] 204,4 x 10 -6 ]
Af = 1,4 m 2 . 1.0002044
Af = 1.40028616 m 2
Zašto dolazi do dilatacije?
Svima je poznato da se sav materijal sastoji od raznih subatomskih čestica. Promjenom temperature, bilo da se povećava ili smanjuje, ovi atomi pokreću proces kretanja koji može promijeniti oblik objekta.
Kada se temperatura poveća, molekule se počinju brzo kretati zbog povećanja kinetičke energije i stoga se oblik ili volumen objekta povećava.
U slučaju negativnih temperatura događa se suprotno; u ovom slučaju, volumen objekta se općenito smanjuje pod utjecajem niskih temperatura.
Reference
- Linearno, površinsko i volumetrijsko širenje – vježbe. Riješeno. Preuzeto 8. svibnja 2018. s Fisimata: fisimat.com.mx
- Površinska dilatacija – riješene vježbe. Preuzeto 8. svibnja 2018. s Fisimata: fisimat.com.mx
- Toplinsko širenje Preuzeto 8. svibnja 2018. iz Enciklopedije Britannica: britannica.com
- Toplinsko širenje Preuzeto 8. svibnja 2018. s Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- Toplinsko širenje Preuzeto 8. svibnja 2018. s Lumen Learning: cursos.lumenlearning.com
- Toplinsko širenje Preuzeto 8. svibnja 2018. iz The Physics Hypertextbook: physics.info
- Toplinsko širenje Preuzeto 8. svibnja 2018. s Wikipedije: en.wikipedia.org.