تمدد السوائل: أنواعها وصيغها وتمارينها

أنت السوائل يمكن أن تعاني التمدد الحراريوكذلك المواد الصلبة عند تسخينها. يحدث تمدد السوائل عند درجة حرارتها يزيد، بحيث تكون جزيئاته أكثر هياجًا. لتحديد اتساع حجم السائل ، نحتاج إلى معرفة حجمه معامل التمدد الحجمي، ولكن أيضًا الاتساع الذي عانى منه وعاء الذي يحتوي على هذا السائل.

يسمى التمدد الذي تعاني منه السوائل تمدد حجمي. في هذا النوع من التمدد ، جميع أبعاد الجسم أو سائل، مثل السوائل والغازات ، تخضع لزيادات كبيرة استجابة لارتفاع درجة الحرارة. تنشأ هذه الظاهرة بسبب التحريض الحراري لجزيئات الجسم: فكلما ارتفعت درجة الحرارة ، زاد اتساع اهتياج هذه الجزيئات التي تبدأ في التحرك في مساحة أكبر.

نظرةأيضا: المفاهيم الأساسية للهيدروستاتيكا

صيغة التوسع الحجمي

يمكننا حساب التمدد الحجمي الذي يتعرض له السائل باستخدام الصيغة التالية:

ΔV - تغير الحجم (m³)

الخامس₀- الحجم الأولي (m³)

γ - معامل التمدد الحجمي (درجة مئوية^-1)

Δ ت - تغير درجة الحرارة (درجة مئوية)

يمكن استخدام الصيغة الموضحة أعلاه لحساب الزيادة في الحجم (ΔV) من سائل بسبب اختلاف درجة حرارته (Δ ت). مع بعض المعالجات الجبرية ، من الممكن كتابة نفس الصيغة المذكورة أعلاه بتنسيق يسمح لنا بحساب الحجم النهائي للسائل مباشرةً بعد تسخينه ، انظر:

الخامس - حجم السائل النهائي

لاحظ أنه في كلتا الصيغتين ، من الضروري معرفة مقدار ملف ثابت γ، معروف ك معامل التمدد الحجمي. هذا الحجم ، يقاس في درجة مئوية^-1(يقرأ: 1 على درجة مئوية) ، فإنه يعطينا مدى تمدد مادة ما ، لكل 1 درجة مئوية من التغير في درجة حرارته.

معامل التمدد الحجمي

معامل التمدد الحجمي هو أ خاصية فيزيائية التي تقيس حجم تغير حجم الجسم بالنسبة لتغير معين في درجة حرارته. هذه الكمية ليست ثابتة ، ويمكن اعتبار قيمتها ثابتة لبعض نطاقات درجات الحرارة فقط. تحقق من بعض القيم النمطية معاملات التمدد لبعض المواد في الحالة السائلة عند درجة حرارة 20 درجة مئوية:

مستوى	معامل التمدد الحجمي (درجة مئوية^-1)
ماء	1,3.10^-4
الزئبق	1,8.10^-4
الكحول الإيثيلي	11,2.10^-4
الأسيتون	14,9.10^-4
جلسيرين	4,9.10^-4

كما هو مذكور أعلاه ، فإن معامل التمدد الحجمي له الاعتماد مع ال درجة الحرارة، أي أن وحدتك قد تتقلب أثناء الإحماء أو التهدئة. لذلك ، لإجراء الحسابات ، نستخدم معاملات التمدد التي تقع ضمن نطاقات درجة الحرارة ، حيث يكون الرسم البياني لـ V × T بالتنسيق خطي. يشاهد:

بين درجات الحرارة T₁ و ت₂، معامل التمدد ثابت.

تمدد واضح للسوائل

يتم تحديد التمدد الظاهري للسوائل من خلال حجم السائل فاضت إذا كانت الحاوية ممتلئة تمامًا بهذا السائل ساخنة. ومع ذلك ، إذا واجهت الحاوية تباينًا في الحجم يساوي التباين الحجمي الذي يعاني منه السائل ، فلا ينبغي أن يفيض أي سائل.

حجم السائل الفائض في الشكل يتوافق مع التوسع الظاهر.

صيغ تمدد ظاهرة

من أجل حساب حجم السائل الذي يفيض من الزجاجة ، يجب أن نستخدم صيغة التمدد الظاهر ، لاحظ:

ΔV_{ا ف ب} - تمدد واضح (m³)

الخامس₀ — حجم السائل الأولي (m³)

γ_{ا ف ب} - معامل التمدد الحجمي الظاهر (درجة مئوية^-1)

Δ ت - تغير درجة الحرارة (درجة مئوية)

في الصيغة أعلاه ، ΔV_{ا ف ب} يتوافق مع حجم السائل الفائض ، بينما γ_{ا ف ب} هو معامل التمدد الظاهر. لمعرفة كيفية حساب معامل التمدد الظاهري ، يجب أن نأخذ في الاعتبار التمدد الذي تعاني منه القارورة (ΔV_F) التي تحتوي على السائل. للقيام بذلك ، سوف نستخدم الصيغة التالية:

ΔV_F - تمدد الزجاجة (m³)

الخامس₀- الحجم الأولي للزجاجة (m)

γ_F - معامل التمدد الحجمي للقارورة (درجة مئوية^-1)

Δ ت - تغير درجة الحرارة (درجة مئوية)

في التعبير السابق ، γ_F يشير إلى معامل التمدد الحجمي للحاوية التي تحتوي على السائل ، و ΔV_F يقيس ما كان اتساع تلك الزجاجة. وبالتالي ، فإن التوسع الفعلي الذي عانى منه السائل (ΔV_ص) كمجموع التمدد الظاهر مع تمدد القارورة ، لاحظ:

ΔV_ص- تمدد سائل فعلي

ΔV_{ا ف ب} - تمدد سائل ظاهر

ΔV_ص - تمدد القارورة الفعلي

بعد بعض المعالجات الجبرية بالصيغ المقدمة ، يمكن الوصول إلى النتيجة التالية:

γ - معامل التمدد السائل الحقيقي (درجة مئوية^-1)

γ_F - معامل التمدد الحجمي للقارورة (درجة مئوية^-1)

γ_{ا ف ب} - معامل التمدد الحجمي الظاهر (درجة مئوية^-1)

تشير العلاقة أعلاه إلى أنه يمكن العثور على معامل التمدد الفعلي للسائل باستخدام مجموع بين ال معاملات التمدد الظاهرة انها ال معامل تمدد القارورة.

تمدد شاذ للماء

الماء له سلوك شاذ فيما يتعلق بالتمدد الحراري بين درجات حرارة 0 درجة مئوية و 4 درجات مئوية، افهم: تسخين الماء من 0 درجة مئوية إلى 4 درجات مئوية ، لديك ينخفض ​​الحجمبدلا من الزيادة. لهذا السبب ، في الحالة السائلة ، فإن كثافة من الماء الخاص بك أعلى قيمة لدرجة حرارة 4 درجات مئوية. تساعد الرسوم البيانية أدناه في فهم سلوك كثافة وحجم الماء كدالة لدرجة حرارته ، لاحظ:

عند درجة حرارة 4 درجات مئوية ، تكون كثافة الماء هي الأعلى.

نتيجة لهذا السلوك ، تنفجر المشروبات الغازية أو زجاجات المياه عند تركها في الفريزر لفترة طويلة. عندما يصل الماء إلى درجة حرارة 4 درجات مئوية، يشغل الماء السائل حجمه إلى الحد الأدنى ، وإذا استمر التبريد ، سيزداد حجم الماء بدلاً من النقصان. عندما يصل الماء 0 درجة مئوية، سيزداد حجم الماء بشكل كبير ، في حين أن الحاوية الخاصة به ستقلل من قياساتها ، مما يتسبب في ذلك فترة راحة.

يمكن أن تنفجر الزجاجات المملوءة بالمياه التي تذهب إلى المجمد عندما تصل إلى 0 درجة مئوية.

نتيجة أخرى لهذا السلوك الشاذ للمياه هي لا تجمد في قيعان الأنهار في المناطق شديدة البرودة. عندما تقترب درجة حرارة الماء من 0 درجة مئوية ، تقل كثافته ، ثم يرتفع الماء البارد بسبب الطفو. مع صعوده ، يتجمد الماء البارد ، مكونًا طبقة من الجليد فوق الأنهار. كما أن الثلج جيد عازل حراري، يبقى قاع الأنهار عند 4 درجات مئوية تقريبًا ، لأنه عند درجة الحرارة هذه تكون كثافته القصوى وتميل إلى البقاء في قاع الأنهار.

السبب وراء السلوك الشاذ للماء له أصل جزيئي: بين 0 درجة مئوية و 4 درجات مئوية ، التجاذب الكهربائي بين تتغلب جزيئات الماء على التحريض الحراري بسبب وجود روابط هيدروجينية بين جزيئات الماء. ماء.

نظرةأيضا: كيف يحدث التوسع المائي الشاذ؟

تمارين حلها

1) حدد معامل التمدد الحجمي لجزء 1 متر مكعب من السائل يخضع لتمدد 0.05 متر مكعب عند تسخينه من 25 درجة مئوية إلى 225 درجة مئوية.

القرار:

لنحسب معامل التمدد للسائل المعني باستخدام صيغة التمدد الحجمي:

بتطبيق البيانات التي يقدمها البيان على الصيغة السابقة ، سنقوم بالحسابات التالية:

2) قارورة زجاجية معامل تمددها الحجمي 27.10^-6 درجة مئوية^-1، بسعة حرارية 1000 مل ، عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ، ومملوء بالكامل بسائل غير معروف. عندما نقوم بتسخين المجموعة حتى 120 درجة مئوية ، يتدفق 50 مل من السائل خارج الحاوية. تحديد معاملات التمدد الظاهرة ؛ معامل التمدد الفعلي للسائل ؛ والتوسع الذي تعاني منه القارورة الزجاجية.

القرار:

لنحسب معامل التمدد الظاهري ، لذلك سنستخدم الصيغة التالية:

باستخدام بيانات التمرين ، سنفعل الحساب التالي:

بعد ذلك ، سنحسب معامل التمدد الفعلي للسائل. للقيام بذلك ، نحتاج إلى حساب التمدد الذي تعاني منه الزجاجة:

استبدال البيانات المقدمة في بيان التمرين ، يتعين علينا حل الحساب التالي:

باستخدام الحساب أعلاه ، حددنا التمدد الذي تعاني منه القارورة الزجاجية. وبالتالي ، لإيجاد التمدد الحقيقي للسائل ، ما عليك سوى إضافة حجم التمدد الظاهر إلى حجم تمدد القارورة:

النتيجة التي تم الحصول عليها في الإجابة أعلاه تشير إلى أن السائل داخل القارورة خضع لتمدد فعلي قدره 52.7 مل. أخيرًا ، دعنا نحسب معامل التمدد الحقيقي للسائل:

باستخدام الصيغة أعلاه ، نحسب معامل تمدد الماء الحقيقي يساوي:

لذلك ، فإن معامل التمدد الحراري لهذا السائل هو 5.27.10^-4 درجة مئوية^-1.

بي. رافائيل هيلربروك

مصدر: مدرسة البرازيل - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/dilatacao-liquidos.htm