Tepelná rozťažnosť je fyzikálny jav, ku ktorému dochádza, keď materiál prechádza zmenou svojich rozmerov v dôsledku zvýšenia alebo zníženia teploty. Koeficient tepelnej rozťažnosti je veličina, ktorá meria túto zmenu a možno ju rozdeliť na tri typy: lineárnu, povrchovú a objemovú. V tejto súvislosti je dôležité pochopiť, ako tieto koeficienty vypočítať a aplikovať v rôznych situáciách, čo je možné dosiahnuť prostredníctvom praktických cvičení. V tomto článku preskúmame základné koncepty tepelnej rozťažnosti, jej koeficienty a predstavíme niekoľko cvičení, ktoré pomôžu pochopiť tento jav.
Metóda na určenie koeficientu tepelnej rozťažnosti materiálu.
Na určenie koeficientu tepelnej rozťažnosti materiálu je potrebný jednoduchý experiment. Najprv zmerajte zmenu dĺžky materiálu pri jeho zahrievaní alebo ochladzovaní. Potom vypočítajte zmenu teploty, ktorej materiál počas experimentu prešiel.
S týmito údajmi k dispozícii je možné použiť matematický vzorec, ktorý spája zmenu dĺžky, zmenu teploty a koeficient tepelnej rozťažnosti materiálu. Koeficient tepelnej rozťažnosti sa označuje gréckym písmenom alpha a meria sa v jednotkách 1/°C (alebo 1/K).
Koeficient tepelnej rozťažnosti možno teda určiť pomocou nasledujúceho vzorca:
alpha = (zmena dĺžky) / (počiatočná dĺžka x zmena teploty)
Správnym vykonaním výpočtov je možné získať koeficient tepelnej rozťažnosti daného materiálu. Táto hodnota je nevyhnutná pre pochopenie toho, ako sa materiál správa pri teplotných zmenách, a možno ju použiť v rôznych výpočtoch a inžinierskych projektoch.
Typy tepelnej rozťažnosti: dozviete sa o zmenách rozťažnosti materiálov v závislosti od teploty.
Tepelná rozťažnosť je jav, ktorý sa vyskytuje v rôznych materiáloch a je spôsobený zmenami teploty. Existujú rôzne typy tepelnej rozťažnosti, pričom každý má svoje vlastné špecifické vlastnosti.
Najbežnejšie typy tepelnej rozťažnosti sú: lineárna expanzia, povrchová dilatácia e objemová expanziaLineárna expanzia prebieha iba v jednom rozmere, zatiaľ čo povrchová expanzia prebieha v dvoch rozmeroch a objemová expanzia v troch rozmeroch.
Koeficient tepelnej rozťažnosti je veličina, ktorá udáva, o koľko sa materiál rozťahuje alebo sťahuje so zmenami teploty. Každý materiál má špecifický koeficient tepelnej rozťažnosti, ktorý možno použiť na výpočet zmeny veľkosti materiálu pri rôznych teplotách.
Na výpočet zmeny veľkosti materiálu v dôsledku tepelnej rozťažnosti môžeme použiť vzorec:
AL = a* L * AT
kde ΔL predstavuje zmenu veľkosti, α je koeficient tepelnej rozťažnosti, L je pôvodná veľkosť materiálu a ΔT je zmena teploty.
Je dôležité pochopiť rôzne typy tepelnej rozťažnosti a to, ako ovplyvňujú materiály, pretože to môže byť kľúčové v rôznych praktických aplikáciách, ako je napríklad konštrukcia konštrukcií, ktoré musia odolávať teplotným zmenám.
Stručne povedané, tepelná rozťažnosť je prirodzený jav, ktorý sa vyskytuje v materiáloch v dôsledku teplotných zmien. Pochopenie typov tepelnej rozťažnosti a spôsobu jej výpočtu je nevyhnutné pre pochopenie toho, ako sa materiály správajú za rôznych tepelných podmienok.
Tepelná kontrakcia: pochopte tento jav na príklade zmenšovania veľkosti kovov.
Tepelná kontrakcia je jav, ku ktorému dochádza, keď sa materiál zmenšuje v dôsledku zníženia teploty. Bežným príkladom tohto procesu je zmenšovanie veľkosti kovov pri ochladzovaní.
Keď sa kov zahrieva, jeho častice sa pohybujú rýchlejšie, čo spôsobuje tepelnú rozťažnosť. Naopak, keď sa kov ochladzuje, častice sa pohybujú pomalšie, čo vedie k tepelnej kontrakcii. Tento jav možno pozorovať v mnohých každodenných situáciách, napríklad pri skracovaní železničných koľají počas zimy.
Je dôležité poznamenať, že tepelnú kontrakciu kovov možno vypočítať pomocou koeficientu lineárnej rozťažnosti, ktorý je mierou zmeny dĺžky materiálu ako funkcie zmeny teploty. Okrem toho existujú rôzne typy tepelnej kontrakcie, ako napríklad izotermická kontrakcia a adiabatická kontrakcia.
Stručne povedané, tepelná kontrakcia je prirodzený jav, ku ktorému dochádza, keď materiál stráca teplo a zmršťuje sa. Pochopenie tohto procesu je nevyhnutné pre rôzne priemyselné odvetvia, ako je stavebníctvo a výroba zariadení. Preto je štúdium tepelnej kontrakcie kovov kľúčové pre zabezpečenie účinnosti a trvanlivosti použitých materiálov.
Koeficienty expanzie: aký je medzi nimi vzťah?
Koeficienty rozťažnosti sú veličiny, ktoré predstavujú zmenu rozmerov materiálu ako funkciu zmeny teploty. Existujú tri typy koeficientov rozťažnosti: lineárne, povrchové a objemové. Koeficient lineárnej rozťažnosti predstavuje zmenu dĺžky materiálu, koeficient povrchovej rozťažnosti predstavuje zmenu plochy a koeficient objemovej rozťažnosti predstavuje zmenu objemu.
Vzťah medzi týmito koeficientmi spočíva v tom, že všetky súvisia s tepelnou rozťažnosťou materiálu. Keď sa materiál zahrieva, jeho molekuly sa pohybujú rýchlejšie, čo vedie k zväčšeniu jeho rozmerov. Každý typ koeficientu rozťažnosti sa vzťahuje na zmenu špecifického rozmeru materiálu.
Napríklad, ak má materiál koeficient lineárnej rozťažnosti 2 x 10^-5 /°C, to znamená, že pri každom zvýšení teploty o 1 °C sa dĺžka materiálu zväčší o 2 x 10^-5-násobok jeho pôvodnej dĺžky. Podobne, ak má materiál koeficient povrchovej rozťažnosti 4 x 10^-5 /°C sa plocha materiálu zväčší 4 x 10^-5-násobok svojej pôvodnej plochy pri každom zvýšení teploty o 1 °C.
Koeficienty rozťažnosti preto priamo súvisia so spôsobom, akým sa materiály rozťahujú pri zahrievaní, a sú nevyhnutné pre štúdium a pochopenie tepelnej rozťažnosti materiálov.
Tepelná rozťažnosť: Koeficient, typy a cvičenia
A tepelná rozťažnosť Zväčšenie alebo zmena niekoľkých metrických rozmerov (ako je dĺžka alebo objem), ktorým prechádza objekt alebo fyzické teleso. Tento proces nastáva v dôsledku zvýšenia teploty okolo materiálu. V prípade lineárnej rozťažnosti sa tieto zmeny vyskytujú v jednom rozmere.
Koeficient tejto rozťažnosti možno merať porovnaním veľkosti pred procesom a po ňom. Niektoré materiály podliehajú opačnej tepelnej rozťažnosti, to znamená, že sa stanú „zápornými“. Táto koncepcia predpokladá, že niektoré materiály sa pri vystavení určitým teplotám zmršťujú.
Pre pevné látky sa na opis rozťažnosti používa koeficient lineárnej rozťažnosti. Naopak, pre výpočty kvapalín sa používa koeficient objemovej rozťažnosti.
V prípade kryštalických pevných látok, ak je sklo izometrické, rozťažnosť bude všeobecná vo všetkých rozmeroch kryštálu. Ak nie je izometrické, v skle sa môžu vyskytovať rôzne koeficienty rozťažnosti a jeho veľkosť sa bude meniť so zmenou teploty.
Koeficient tepelnej rozťažnosti
Koeficient tepelnej rozťažnosti (Y) je definovaný ako polomer zmeny, ktorej sa materiál podrobí v dôsledku zmeny teploty. Tento koeficient je reprezentovaný symbolom α pre pevné látky a β pre kvapaliny a riadi sa Medzinárodnou sústavou jednotiek.
Koeficienty tepelnej rozťažnosti sa líšia v závislosti od toho, či ide o pevné látky, kvapaliny alebo plyny. Každý z nich má svoje vlastné charakteristiky.
Napríklad, rozpínanie pevnej látky možno pozorovať pozdĺž dĺžky. Objemový koeficient je jedným z najzákladnejších v tekutinách a zmeny sú viditeľné vo všetkých smeroch; tento koeficient sa používa aj pri výpočte rozpínania plynu.
Negatívna tepelná rozťažnosť
U niektorých materiálov dochádza k negatívnej tepelnej rozťažnosti, ktoré sa pri vysokých teplotách namiesto zväčšovania objemu pri nízkych teplotách zmršťujú.
Tento typ tepelnej rozťažnosti sa vo všeobecnosti pozoruje v otvorených systémoch, kde sa pozorujú smerové interakcie – ako v prípade ľadu – alebo v komplexných zlúčeninách – ako napríklad v niektorých zeolitoch, napríklad Cu2O.
Okrem toho niektoré výskumy ukázali, že k negatívnej tepelnej rozťažnosti dochádza aj v jednozložkových sieťach, kompaktne a s centrálnou silovou interakciou.
Jasný príklad negatívnej tepelnej rozťažnosti môžeme vidieť, keď pridáme ľad do pohára s vodou. V tomto prípade vysoká teplota kvapaliny v ľade nespôsobí jeho zväčšenie, ale skôr zmenšenie.
typ
Pri výpočte rozťažnosti fyzického objektu je potrebné vziať do úvahy, že v závislosti od zmeny teploty sa tento objekt môže zväčšovať alebo zmenšovať.
Niektoré objekty nevyžadujú na zmenu svojej veľkosti drastickú zmenu teploty, takže hodnota zobrazená výpočtami bude pravdepodobne priemerná.
Tak ako každý proces, aj tepelná rozťažnosť sa delí na niekoľko typov, ktoré vysvetľujú každý jav samostatne. V prípade pevných látok sú typmi tepelnej rozťažnosti lineárna rozťažnosť, objemová rozťažnosť a povrchová rozťažnosť.
Lineárna expanzia
Pri lineárnom rozpínaní prevláda jedna variácia. V tomto prípade je jedinou jednotkou, ktorá prechádza zmenou, výška alebo šírka objektu.
Jednoduchý spôsob výpočtu tohto typu rozťažnosti je porovnať hodnotu magnitúdy pred zmenou teploty s hodnotou magnitúdy po zmene teploty.
Objemová expanzia
V prípade objemovej rozťažnosti sa vypočíta porovnaním objemu kvapaliny pred zmenou teploty s objemom kvapaliny po zmene teploty. Vzorec na jej výpočet je:
Rozšírenie povrchu alebo oblasti
V prípade povrchovej expanzie sa pozoruje zväčšenie plochy telesa alebo objektu, pretože dochádza k zmene teploty o 1 °C.
Tento rozvoj funguje pre pevné látky. Ak máte aj lineárny koeficient, môžete vidieť, že veľkosť objektu bude dvakrát väčšia. Vzorec na jeho výpočet je:
A f =A 0 [1 + YA (T f - T 0 )]
V tomto výraze:
γ = koeficient plošnej rozťažnosti [°C -1 ]
A 0 = počiatočná plocha
A f = konečná plocha
T 0 = počiatočná teplota.
T f = konečná teplota
Rozdiel medzi dilatáciou plochy a lineárnou dilatáciou spočíva v tom, že v prvej vidíte zmenu zväčšenia plochy objektu a v druhej ide o zmenu jednej mernej jednotky (ako je dĺžka alebo šírka fyzického objektu).
Príklady
Prvé cvičenie (lineárna dilatácia)
Koľajnice, ktoré tvoria oceľovú železničnú trať, sú dlhé 1500 m. Aká bude ich dĺžka, keď sa teplota zvýši z 24 °C na 45 °C?
Riešenie
Kocky:
LO (počiatočná dĺžka) = 1500 m
L f (konečná dĺžka) =?
A (počiatočná teplota) = 24 °C
T f (konečná teplota) = 45 °C
α (koeficient lineárnej rozťažnosti zodpovedajúci oceli) = 11 x 10 -6 °C -1
Údaje sa dosadia do nasledujúceho vzorca:
Najprv však musíte poznať teplotný rozdiel, aby ste ho mohli zahrnúť do rovnice. Na výpočet tohto rozdielu je potrebné odpočítať vyššiu teplotu od nižšej.
Δt = 45 °C – 24 °C = 21 °C
Keď sú tieto údaje známe, môžete použiť vyššie uvedený vzorec:
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
Druhé cvičenie (povrchová dilatácia)
V prípravnej škole má sklenená páska na oči plochu 1,4 m^2, ak je teplota 21 °C. Aká bude jej konečná plocha pri zvýšení teploty na 35 °C?
Riešenie
Af = A0 [1 + (Tf – T0)]
Af = 1,4 m 2 [1] 204,4 × 10 -6 ]
Af = 1,4 m 2 . 1.0002044
Af = 1.40028616 m 2
Prečo dochádza k dilatácii?
Každý vie, že všetok materiál sa skladá z rôznych subatomárnych častíc. Zmenou teploty, či už zvyšujúcou sa alebo znižujúcou sa, tieto atómy iniciujú proces pohybu, ktorý môže zmeniť tvar objektu.
Keď sa teplota zvýši, molekuly sa začnú rýchlo pohybovať v dôsledku zvýšenia kinetickej energie, a tým sa zväčší tvar alebo objem objektu.
V prípade záporných teplôt nastáva opak; v tomto prípade sa objem objektu vo všeobecnosti zmenšuje vplyvom nízkych teplôt.
Referencie
- Lineárna, povrchová a objemová rozťažnosť – cvičenia. Vyriešené. Zdroj: 8. mája 2018, Fisimat: fisimat.com.mx
- Povrchová dilatácia – vyriešené úlohy. Zdroj: Fisimat, 8. mája 2018: fisimat.com.mx
- Tepelná rozťažnosť Zdroj: 8. mája 2018, z Encyklopédie Britannica: britannica.com
- Tepelná rozťažnosť. Zdroj: 8. mája 2018, Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- Tepelná rozťažnosť Zdroj: 8. mája 2018, Lumen Learning: cursos.lumenlearning.com
- Tepelná rozťažnosť. Zdroj: 8. mája 2018, z Hypertextbooku fyziky: physics.info
- Tepelná rozťažnosť Zdroj: 8. mája 2018, Wikipédia: en.wikipedia.org.