Toplotni raztezek je fizikalni pojav, ki se pojavi, ko se dimenzije materiala spremenijo zaradi povečanja ali znižanja temperature. Koeficient toplotnega raztezanja je količina, ki meri to spremembo in jo lahko razdelimo na tri vrste: linearno, površinsko in volumetrično. V tem kontekstu je pomembno razumeti, kako izračunati in uporabiti te koeficiente v različnih situacijah, kar je mogoče storiti s praktičnimi vajami. V tem članku bomo raziskali temeljne koncepte toplotnega raztezanja, njegove koeficiente in predstavili nekaj vaj, ki bodo pomagale razumeti ta pojav.
Metoda za določanje koeficienta toplotnega raztezanja materiala.
Za določitev koeficienta toplotnega raztezanja materiala je potreben preprost poskus. Najprej izmerite spremembo dolžine materiala pri segrevanju ali ohlajanju. Nato izračunajte spremembo temperature materiala med poskusom.
S temi podatki v roki je mogoče uporabiti matematično formulo, ki povezuje spremembo dolžine, spremembo temperature in koeficient toplotnega raztezanja materiala. Koeficient toplotnega raztezanja je predstavljen z grško črko alfa in se meri v enotah 1/°C (ali 1/K).
Koeficient toplotnega raztezanja lahko torej določimo z naslednjo formulo:
alfa = (sprememba dolžine) / (začetna dolžina x sprememba temperature)
S pravilno izvedbo izračunov je mogoče dobiti koeficient toplotnega raztezanja obravnavanega materiala. Ta vrednost je bistvena za razumevanje, kako se material obnaša pri temperaturnih spremembah, in se lahko uporabi pri različnih izračunih in inženirskih projektih.
Vrste toplotnega raztezanja: spoznajte razlike v raztezanju materialov glede na temperaturo.
Toplotno raztezanje je pojav, ki je prisoten v različnih materialih in ga povzročajo temperaturne spremembe. Obstajajo različne vrste toplotnega raztezanja, vsaka s svojimi specifičnimi značilnostmi.
Najpogostejše vrste toplotnega raztezanja so: linearna ekspanzija, površinska dilatacija e volumetrična ekspanzijaLinearno raztezanje se dogaja le v eni dimenziji, medtem ko se površinsko raztezanje dogaja v dveh dimenzijah, volumetrično pa v treh dimenzijah.
Koeficient toplotnega raztezanja je količina, ki kaže, koliko se material razteza ali krči s spremembami temperature. Vsak material ima specifičen koeficient toplotnega raztezanja, ki ga je mogoče uporabiti za izračun spremembe velikosti materiala pri različnih temperaturah.
Za izračun spremembe velikosti materiala zaradi toplotnega raztezanja lahko uporabimo formulo:
ΔL = α * L * ΔT
kjer ΔL predstavlja spremembo velikosti, α je koeficient toplotnega raztezanja, L je prvotna velikost materiala in ΔT je sprememba temperature.
Pomembno je razumeti različne vrste toplotnega raztezanja in kako vplivajo na materiale, saj je to lahko ključnega pomena pri različnih praktičnih aplikacijah, kot je gradnja konstrukcij, ki morajo prenesti temperaturne spremembe.
Skratka, toplotni raztezek je naravni pojav, ki se pojavlja v materialih zaradi temperaturnih sprememb. Razumevanje vrst toplotnega raztezanja in načina njegovega izračuna je bistvenega pomena za razumevanje, kako se materiali obnašajo v različnih toplotnih pogojih.
Toplotno krčenje: razumite ta pojav na primeru zmanjševanja velikosti kovin.
Toplotno krčenje je pojav, ki se pojavi, ko se material zaradi znižanja temperature zmanjša. Pogost primer tega procesa je zmanjšanje velikosti kovin pri ohlajanju.
Ko se kovina segreje, se njeni delci gibljejo hitreje, kar povzroča toplotno raztezanje. Nasprotno pa se pri ohlajanju kovine delci gibljejo počasneje, kar povzroči toplotno krčenje. Ta pojav lahko opazimo v številnih vsakdanjih situacijah, na primer pri železniških tirih, ki se pozimi skrajšajo.
Pomembno je omeniti, da se toplotno krčenje kovin lahko izračuna z uporabo koeficienta linearnega raztezanja, ki je mera spremembe dolžine materiala kot funkcije temperaturne spremembe. Poleg tega obstajajo različne vrste toplotnega krčenja, kot sta izotermno krčenje in adiabatno krčenje.
Skratka, toplotno krčenje je naravni pojav, ki se pojavi, ko material izgubi toploto in se skrči. Razumevanje tega procesa je bistvenega pomena za različne industrijske sektorje, kot sta gradbeništvo in proizvodnja opreme. Zato je preučevanje toplotnega krčenja kovin ključnega pomena za zagotavljanje učinkovitosti in trajnosti uporabljenih materialov.
Koeficienti raztezanja: kakšno je razmerje med njimi?
Koeficienti raztezanja so količine, ki predstavljajo spremembo dimenzij materiala kot funkcijo temperaturnih sprememb. Obstajajo tri vrste koeficientov raztezanja: linearni, površinski in volumetrični. Linearni koeficient raztezanja predstavlja spremembo dolžine materiala, površinski koeficient raztezanja predstavlja spremembo površine, volumetrični koeficient raztezanja pa predstavlja spremembo prostornine.
Razmerje med temi koeficienti je, da so vsi povezani s toplotnim raztezanjem materiala. Ko se material segreje, se njegove molekule gibljejo hitreje, kar povzroči povečanje njegovih dimenzij. Vsaka vrsta koeficienta raztezanja se nanaša na spremembo določene dimenzije materiala.
Na primer, če ima material koeficient linearnega raztezanja 2 x 10^-5 /°C, to pomeni, da se bo za vsakih 1 °C povišanja temperature dolžina materiala povečala za 2 x 10^-5-kratnik njegove začetne dolžine. Podobno, če ima material koeficient površinske ekspanzije 4 x 10^-5 /°C se bo površina materiala povečala za 4 x 10^-5-kratnik začetne površine za vsakih 1 °C povišanja temperature.
Zato so koeficienti raztezanja neposredno povezani z načinom, kako se materiali raztezajo pri segrevanju, in so bistveni za preučevanje in razumevanje toplotnega raztezanja materialov.
Toplotni razteznostni koeficient, vrste in vaje
A toplotno raztezanje Povečanje ali sprememba več metričnih dimenzij (kot sta dolžina ali prostornina), ki jo doživi predmet ali fizično telo. Ta proces se pojavi zaradi povečanja temperature okoli materiala. V primeru linearnega raztezanja se te spremembe pojavijo v eni sami dimenziji.
Koeficient tega raztezanja lahko izmerimo s primerjavo velikosti pred in po postopku. Nekateri materiali se toplotno raztezajo nasprotno, torej postanejo "negativni". Ta koncept predpostavlja, da se nekateri materiali krčijo, ko so izpostavljeni določenim temperaturam.
Za trdne snovi se za opis njihovega raztezanja uporablja linearni koeficient raztezanja. Nasprotno pa se za izračune tekočin uporablja volumetrični koeficient raztezanja.
V primeru kristaliziranih trdnih snovi, če je steklo izometrično, bo raztezanje splošno po vseh dimenzijah kristala. Če ni izometrično, se lahko v steklu pojavijo različni koeficienti raztezanja, njegova velikost pa se bo spreminjala s spreminjanjem temperature.
Koeficient toplotnega raztezanja
Koeficient toplotnega raztezanja (Y) je definiran kot polmer spremembe materiala zaradi spremembe temperature. Ta koeficient je predstavljen s simbolom α za trdne snovi in β za tekočine in ga ureja Mednarodni sistem enot.
Koeficienti toplotnega raztezanja se razlikujejo glede na to, ali gre za trdne snovi, tekočine ali pline. Vsak ima svoje značilnosti.
Na primer, raztezanje trdne snovi lahko opazujemo vzdolž dolžine. Volumetrični koeficient je eden najosnovnejših pri tekočinah in spremembe so vidne v vseh smereh; ta koeficient se uporablja tudi pri izračunu raztezanja plina.
Negativno toplotno raztezanje
Pri nekaterih materialih se pojavi negativno toplotno raztezanje, ki se pri nizkih temperaturah namesto povečanja velikosti krči.
Tovrstno toplotno raztezanje običajno opazimo v odprtih sistemih, kjer opazimo usmerjene interakcije – kot v primeru ledu – ali v kompleksnih spojinah – kot so nekateri zeoliti, med drugim Cu2O.
Poleg tega so nekatere raziskave pokazale, da se negativno toplotno raztezanje pojavlja tudi v enokomponentnih omrežjih, kompaktno in z interakcijo osrednje sile.
Jasen primer negativnega toplotnega raztezanja lahko vidimo, ko v kozarec vode dodamo led. V tem primeru visoka temperatura tekočine v ledu ne povzroči povečanja njegove velikosti, temveč krčenja.
Vrste
Pri izračunu raztezanja fizičnega objekta je treba upoštevati, da se lahko ta objekt, odvisno od spremembe temperature, poveča ali skrči.
Nekateri predmeti ne potrebujejo drastične spremembe temperature, da bi spremenili svojo velikost, zato bo vrednost, ki jo prikažejo izračuni, verjetno povprečna.
Kot vsak proces je tudi toplotni raztezek razdeljen na več vrst, ki pojasnjujejo vsak pojav posebej. Pri trdnih snoveh so vrste toplotnega raztezanja linearni raztezek, volumetrični raztezek in površinski raztezek.
Linearna ekspanzija
Pri linearni ekspanziji prevladuje ena sama variacija. V tem primeru se spremeni le višina ali širina predmeta.
Preprost način za izračun te vrste raztezanja je primerjava vrednosti magnitude pred spremembo temperature z vrednostjo magnitude po spremembi temperature.
Volumetrična ekspanzija
V primeru volumetričnega raztezanja ga izračunamo s primerjavo volumna tekočine pred spremembo temperature z volumnom tekočine po spremembi temperature. Formula za izračun je:
Širitev površine ali območja
V primeru površinske ekspanzije opazimo povečanje površine telesa ali predmeta, saj pride do spremembe temperature za 1 °C.
Ta razvoj deluje za trdne snovi. Če imate tudi linearni koeficient, lahko vidite, da bo velikost predmeta dvakrat večja. Formula za njegov izračun je:
A f =A 0 [1 + YA (T f - T. 0 )]
V tem izrazu:
γ = koeficient površinskega raztezanja [°C -1 ]
A 0 = začetno območje
A f = končno območje
T 0 = začetna temperatura.
T f = končna temperatura
Razlika med dilatacijo površine in linearno dilatacijo je v tem, da pri prvi opazimo spremembo povečanja površine objekta, pri drugi pa spremembo ene same merske enote (kot je dolžina ali širina fizičnega objekta).
Primeri
Prva vaja (linearna dilatacija)
Tirnice, ki sestavljajo jekleno železniško progo, so dolge 1500 m. Kolikšna bo njihova dolžina, ko se temperatura dvigne z 24 °C na 45 °C?
Rešitev
kocke:
LO (začetna dolžina) = 1500 m
L f (končna dolžina) = ?
A (začetna temperatura) = 24 °C
T f (končna temperatura) = 45 °C
α (koeficient linearnega raztezanja, ki ustreza jeklu) = 11 x 10 -6 °C -1
Podatki se vstavijo v naslednjo formulo:
Vendar pa morate najprej poznati temperaturno razliko, da jo lahko vključite v enačbo. Za izračun te razlike je treba višjo temperaturo odšteti od nižje.
Δt = 45 °C – 24 °C = 21 °C
Ko so ti podatki znani, lahko uporabite zgornjo formulo:
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 vaja (površinska dilatacija)
V pripravljalni šoli ima steklena preveza za oči površino 1,4 m^2, če je temperatura 21 °C. Kolikšna bo njena končna površina, če se temperatura poveča na 35 °C?
Rešitev
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
Zakaj pride do dilatacije?
Vsi vemo, da je vsa snov sestavljena iz različnih subatomskih delcev. S spreminjanjem temperature, bodisi z naraščanjem bodisi z zniževanjem, ti atomi sprožijo proces gibanja, ki lahko spremeni obliko predmeta.
Ko se temperatura poveča, se molekule zaradi povečanja kinetične energije začnejo hitro gibati in s tem se poveča oblika ali prostornina predmeta.
Pri negativnih temperaturah se zgodi ravno nasprotno; v tem primeru se volumen predmeta zaradi nizkih temperatur običajno skrči.
Literatura
- Linearna, površinska in volumetrična ekspanzija – vaje. Rešeno. Pridobljeno 8. maja 2018 s Fisimat: fisimat.com.mx
- Površinska dilatacija – rešene vaje. Pridobljeno 8. maja 2018 s Fisimat: fisimat.com.mx
- Toplotno raztezanje Pridobljeno 8. maja 2018 iz Enciklopedija Britannica: britannica.com
- Toplotno raztezanje Pridobljeno 8. maja 2018 iz Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- Toplotno raztezanje Pridobljeno 8. maja 2018 iz Lumen Learning: cursos.lumenlearning.com
- Toplotno raztezanje Pridobljeno 8. maja 2018 iz The Physics Hypertextbook: physics.info
- Toplotno raztezanje Pridobljeno 8. maja 2018 z Wikipedije: en.wikipedia.org.