Вие течности може да страда термично разширение, както и твърди вещества, при нагряване. Разширяването на течностите се случва, когато тяхната температура се увеличава, така че молекулите му да са по-развълнувани. За да определим разширението на обема на течността, трябва да знаем нейния коефициент на обемно разширение, но и разширението, претърпяно от контейнер който съдържа тази течност.
Нарича се разширението, претърпяно от течностите обемно разширение. При този тип разширение всички измерения на тялото или течностподобно на течности и газове, претърпяват значително повишаване в отговор на повишаване на температурата. Това явление възниква поради термичното вълнение на молекулите на тялото: колкото по-висока е температурата, толкова по-голяма е амплитудата на вълнението на тези молекули, които започват да се движат в по-голямо пространство.
Вижсъщо: Основни понятия за хидростатиката
Формула за обемно разширение
Можем да изчислим обемното разширение, претърпяно от течност, като използваме следната формула:
ΔV - изменение на обема (m³)
V0- първоначален обем (m³)
γ - коефициент на обемно разширение (° C-1)
ΔT - изменение на температурата (° C)
Формулата, показана по-горе, може да се използва за изчисляване на увеличението на обема (ΔV) на течност поради промяна в нейната температура (ΔT). С някои алгебрични манипулации е възможно да напишете същата формула, както по-горе, във формат, който ни позволява директно да изчислим крайния обем на течността след нагряването й, вижте:
V - краен обем на течността
Имайте предвид, че и в двете формули е необходимо да знаете колко е константа γ, познат като коефициент на обемно разширение. Тази величина, измерена в ºC-1(Той гласи: 1 на градус по Целзий), той ни показва колко голямо е разширяването на дадено вещество, на всеки 1 ° C промяна в неговата температура.
Коефициент на обемно разширение
Коефициентът на обемно разширение е a физическо свойство който измерва колко голяма е промяната на обема на тялото за дадена промяна в неговата температура. Това количество не е постоянно и неговата стойност може да се счита за постоянна само за някои температурни диапазони. Вижте някои типични стойности на коефициентите на разширение на някои вещества в течно състояние при температура 20 ° C:
Вещество |
Коефициент на обемно разширение (° C-1) |
Вода |
1,3.10-4 |
живак |
1,8.10-4 |
Етилов алкохол |
11,2.10-4 |
Ацетон |
14,9.10-4 |
Глицерин |
4,9.10-4 |
Както беше посочено по-горе, коефициентът на обемно разширение има зависимост с температура, тоест вашият модул може да варира по време на загряване или охлаждане. Следователно, за да направим изчисленията, използваме коефициентите на разширение, които са в температурния диапазон, където графиката на V x T има формата линейна. Гледам:
Между температурите T1 и Т2, коефициентът на разширение е постоянен.
Привидно разширяване на течностите
Привидното разширяване на течностите се определя от обема на течността, която е прелива ако контейнер е напълно пълен с тази течност отопляем. Ако обаче контейнерът претърпи вариране на обема, равно на обемното изменение, претърпено от течността, никоя течност не трябва да прелива.
Обемът на прелитата течност на фигурата съответства на привидното разширение.
Формули за привидна дилатация
За да изчислим обема на течността, която прелива от бутилката, трябва да използваме формулата на видимото разширение, забележете:
ΔVап - видимо разширение (m³)
V0 — първоначален обем на течността (m³)
γап - привиден коефициент на обемно разширение (° C-1)
ΔT - изменение на температурата (° C)
Във формулата по-горе, ΔVап съответства на обема на прелятата течност, докато γап е привидният коефициент на разширение. За да знаем как да изчислим привидния коефициент на разширение, трябва да вземем предвид разширението, претърпяно от колбата (ΔVF), който съдържа течността. За целта ще използваме следната формула:
ΔVF - разширяване на бутилката (m³)
V0- първоначален обем на бутилката (m³)
γF - коефициент на обемно разширение на колбата (° C-1)
ΔT - изменение на температурата (° C)
В предишния израз, γF се отнася до коефициента на обемно разширение на контейнера, съдържащ течността, и ΔVF измерва какво е било разширението на тази бутилка. По този начин действителното разширение, претърпяно от течността (ΔVR) може да се изчисли като сбор от видимото разширение с разширението на флакона, забележете:
ΔVR- действително разширяване на течността
ΔVап - очевидно разширяване на течността
ΔVR - действително разширение на флакона
След някои алгебрични манипулации с представените формули е възможно да се постигне следният резултат:
γ - реален коефициент на разширяване на течността (° C-1)
γF - коефициент на обемно разширение на колбата (° C-1)
γап - привиден коефициент на обемно разширение (° C-1)
Горната връзка показва, че действителният коефициент на разширяване на течността може да бъде намерен с помощта на сума между привидни коефициенти на дилатация това е коефициент на разширяване на колбата.
аномално разширяване на водата
Водата има a аномално поведение по отношение на топлинното разширение между температурите на 0 ° C и 4 ° C, разбирайте: нагряване на водата от 0 ° C до 4 ° C, вашата обемът намалява, вместо да се увеличава. Поради тази причина в течно състояние плътност от водата има вашата най-висока стойност за температурата на 4 ° С. Графиките по-долу помагат да се разбере поведението на плътността и обема на водата като функция от нейната температура, забележете:
При температура от 4 ° C плътността на водата е най-висока.
В резултат на това поведение безалкохолните напитки или бутилки с вода се пукат, когато се оставят във фризера твърде дълго. Когато водата достигне температурата от 4 ° С, неговият обем е минимално зает от течна вода, ако охлаждането продължи, обемът на водата ще се увеличи, вместо да намалее. когато водата достигне 0 ° С, обемът на водата ще се увеличи значително, докато контейнерът ще намали собствените си измервания, причинявайки своя почивка.
Бутилките, пълни с вода, които отиват във фризера, могат да се спукат, когато достигнат 0 ° C.
Друго следствие от това аномално поведение на водата е няма замръзване на дъното на реките в много студени региони. Когато температурата на водата се доближи до 0 ºC, нейната плътност намалява и след това студената вода се повишава поради плаваемост. С изкачването си студената вода замръзва, образувайки леден слой над реките. тъй като ледът е добро топлоизолатор, дъното на реките остава на приблизително 4 ºC, тъй като при тази температура плътността му е максимална и има тенденция да остане на дъното на реките.
Причината за аномалното поведение на водата има молекулен произход: между 0 ° C и 4 ° C, електрическото привличане между водните молекули преодоляват термичното вълнение поради наличието на водородни връзки, налични между водните молекули. Вода.
Вижсъщо: Как възниква аномално разширяване на водата?
решени упражнения
1) Определете коефициента на обемно разширение на 1 m³ порция течност, която претърпява 0,05 m³ разширение при нагряване от 25 ° C до 225 ° C.
Резолюция:
Нека изчислим коефициента на разширение на въпросната течност, използвайки формулата за обемно разширение:
Прилагайки данните, предоставени от изявлението, към предишната формула, ще направим следното изчисление:
2) Стъклена колба, чийто коефициент на обемно разширение е 27.10-6 ° С-1, има топлинен капацитет от 1000 ml, при температура 20 ºC, и е напълно запълнен с неизвестна течност. Когато загреем настройката до 120 ºC, 50 ml течност прелива от контейнера. Определете привидните коефициенти на разширение; действителният коефициент на разширяване на течността; и разширението, претърпяно от стъкления флакон.
Резолюция:
Нека изчислим привидния коефициент на разширение, за това ще използваме следната формула:
Използвайки данните за упражненията, ще направим следното изчисление:
След това ще изчислим действителния коефициент на разширяване на течността. За целта трябва да изчислим какво е разширяването, претърпяно от стъклената бутилка:
Заменяйки данните, предоставени от изявлението за упражнението, трябва да решим следното изчисление:
С изчислението по-горе определихме какво е разширението, претърпяно от стъклената колба. По този начин, за да намерите истинското разширение на течността, просто добавете обема на видимата дилатация към обема на дилатацията на колбата:
Резултатът, получен в отговора по-горе, показва, че течността вътре в бутилката е претърпяла действително разширение от 52,7 ml. И накрая, нека изчислим реалния коефициент на разширение на течността:
Използвайки горната формула, изчисляваме реалния коефициент на разширяване на водата, равен на:
Следователно коефициентът на топлинно разширение на тази течност е 5.27.10-4 ° С-1.
От мен Рафаел Хелерброк
Източник: Бразилско училище - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/dilatacao-liquidos.htm
