הַרחָבָהתֶרמִי זו תופעה פיזית הנובעת מעליית הטמפרטורה של הגוף. כאשר גוף נחשף למקור כלשהו של חוֹם, שלך טֶמפֶּרָטוּרָה זה יכול לעבור וריאציות, ולהגביר את התסיסה של המולקולות, המתנודדות סביב חלל גדול יותר.
ניתן לראות את השונות המיקרוסקופית הזו ברטט המולקולות בקנה מידה מקרוסקופי, כמו כאשר מוט ברזל נשאר קצת גדול יותר כתוצאה מחימום.
התרחבות לינארית
הַרחָבָהלינארי של מוצקים היא התופעה הפיזיקלית המתרחשת כאשר גופים בעלי צורה ליניארית הנמצאים במצב מוצק, כגון חוטים, כבלים, מחטים, סורגים, צינורות, עוברים שינוי בטמפרטורה. כדי לחשב את גודל ההתרחבות הליניארית, אנו משתמשים ב- מְקַדֵםבהַרחָבָהלינארי של חומר.
דוגמאות להתרחבות תרמית לינארית
עיוות של פסי רכבת בגלל המשרעת התרמית הגדולה במהלך מחזורי היום והלילה. בגלל אפקט זה משתמשים במפרק ההרחבה, רווח קטן בין שני מוטות עוקבים.
חוטי הנחושת המשמשים להעברת זרם חשמלי על עמודים גדולים תמיד מהמרחק בין הקטבים. לולא בימים קרים היו מוליכים אלו סובלים מסטייה שלילית באורכם ועלולים לסבול מקרעים
התרחבות שטחית
הַרחָבָהרָדוּד של מוצקים הוא השונות בשטח של גוף שנמצא במצב מוצק עקב עלייה בטמפרטורה שלו. חישוב התפשטות פני השטח של מוצק תלוי בה מְקַדֵםבהַרחָבָהרָדוּד.
דוגמאות להתרחבות תרמית עילית
בין לוחות האריחים המשמשים בקומות מגורים ומדרכות נותר מקום פנוי קטן, אשר תפוס על ידי הדיס, חומר נקבובי המסוגל לספוג חלק מההרחבה שסבלו החלקים קֵרָמִיקָה.
מקובל לראות מכניקה מחממת אגוז המחובר לבורג על מנת להסיר אותו, מכיוון שהחימום גורם לאגוז להתרחב, מה שמקל על הסרתו.
התרחבות נפחית
התרחבות נפחיתזהו הרחבת נפח הגוף על ידי הגדלת הטמפרטורה שלו. ההרחבה הנפחית מחושבת מתוך מְקַדֵםבהַרחָבָהנפחי של הגוף.
דוגמאות להתרחבות תרמית נפחית
ברגים המשמשים בגופי המטוס ניתנים למיקום בטמפרטורות נמוכות מאוד לפני השחלתם. לאחר ההברגה, עליית הטמפרטורה של הבורג מרחיבה את ממדיה, וכמעט בלתי אפשרית להסיר אותה מאוחר יותר.
מקדם התפשטות תרמית
בעוד שחומרים מסוימים חייבים לעבור שינויים עצומים בטמפרטורה כדי שההתרחבות שלהם תהפוך ניתן להבחין בכך שאחרים צריכים לשנות את הטמפרטורה שלהם בכמה מעלות, כך שההבדלים שלהם ממדים.
התכונה הפיזית הקובעת את הקלות או הקושי של החומר שמידותיו משתנות על ידי שינויי טמפרטורה נקראת מקדם התפשטות תרמית.
עם עליית הטמפרטורה, המולקולות של הגוף מתחילות לתפוס חלל גדול יותר.
תראהגַם: קלורימטריה
לכל חומר יש מקדם התפשטות תרמי משלו, שיכול להיות משלושה סוגים נפרדים: מקדם הַרחָבָהלינארי, רָדוּד ו נפחי. כדי לחשב את ההתפשטות שסובל מגוף, אנו משתמשים רק באחד ממקדמים אלה, הנקבעים על פי הצורה המוצגת על ידי הגוף.
למרות סבל התרחבות פני השטח והנפח, גופים מוארכים בעלי סימטריה ליניארית, כגון כבלים וחוטים, כפופים להרחבה באורכם הרבה יותר מההרחבה באזורם או כרך.
מקדמי ההרחבה לינארי, רָדוּד ו נפחי מסומנים, בהתאמה, באותיות היווניות α, β, ו γ, ויחידת המידה שלה היא ºC-1.
להשפעת התפשטות תרמית של מוצקים חשיבות מסחרית וטכנולוגית רבה. בניית מבנים, למשל, משתמשת בחומרים הנחשפים לרוב לשינויים גדולים ולעתים חדים בטמפרטורה. במקרה זה, חשוב להכיר את מקדמי ההרחבה של כל חומר המשמש בבנייה אזרחית על מנת למנוע הופעת סדקים ופגמים מבניים אחרים.
הקשר בין מקדמי הרחבת המוצקים
גופים עם סימטריות שונות העשויות מאותו חומר עוברים צורות שונות של התרחבות. מוט ברזל, למשל, עובר התרחבות לינארית, ואילו יריעה מאותו החומר עוברת התרחבות משטח. הסיבה לכך היא שמקדם התפשטות פני השטח הוא כפול ממקדם התפשטות לינארי, בעוד שמקדם ההתפשטות הנפחי גדול פי שלושה ממקדם ההתרחבות לינארי. שעון:
אל תפסיק עכשיו... יש עוד אחרי הפרסום;)
α – מקדם התרחבות לינארי
β – מקדם התפשטות פני השטח
γ – מקדם התפשטות נפחי
התרחבות תרמית בגשרים
השפעות ההתפשטות התרמית חשובות במיוחד במבנים שאינם יכולים לעוות או לפצח את מבנהם, כמו גשרים. לכן, בסוג זה של בנייה משתמשים בכמה חיבורי הרחבה.
בתמונה למטה מוצג מפרק הרחבה של גשר. שעון:
חיבורי התפשטות מקטינים את הסיכוי להיסדק כתוצאה מהתרחבות הבטון בגשרים.
נוסחאות התרחבות תרמית
בדוק למטה את הנוסחאות המשמשות לחישוב ההרחבות הלינריות, השטחיות והנפחיות של מוצקים.
נוסחת התרחבות לינארית
ניתן להציג את נוסחת ההתרחבות הליניארית בשתי דרכים: אחת לחישוב גודל הגוף הסופי ואחת לחישוב וריאציית האורך שנפגעה במהלך ההתרחבות:
ל - אורך סופי
ל0 - אורך ראשוני
ΔT - וריאציה בטמפרטורה
ΔL - וריאציה באורך
נוסחת הרחבת שטח
בדומה לנוסחת ההתפשטות הליניארית, ניתן לכתוב את נוסחת הרחבת השטח בשתי דרכים שונות:
ס - אזור אחרון
ס0 - אזור ראשוני
ΔT - וריאציה בטמפרטורה
S - וריאציה באזור
נוסחת הרחבה נפחית
לבסוף, יש לנו ביטויים המאפשרים לנו לחשב את הנפח הסופי של הגוף או את הווריאציה הנפחית שלו:
ו - נפח סופי
ו0 - נפח ראשוני
ΔT - וריאציה בטמפרטורה
ΔV - וריאציה בנפח
סיכום
כאשר מחממים מוצק, המולקולות שלו מתחילות לרטוט באופן נרחב יותר ותופסות יותר מקום. תלוי במקדם החימום וההרחבה של החומר, ניתן לראות את ההשפעה בעין בלתי מזוינת.
מקדמי התפשטות השטח והנפח של אותו חומר הומוגני (עשוי מחומר יחיד) הם בהתאמה מקדמי התפשטות ליניארית כפולים ומשולשים.
כל גוף עובר את כל שלושת סוגי ההתרחבות בו זמנית, אולם אחד מהם משמעותי יותר מהאחרים, מכיוון שהוא זוכה יותר לצורת הגוף.
תרגילים על התרחבות תרמית
מוט ברזל באורך 2.0 מ 'שמקדם ההתפשטות הקווי שלו הוא α = 1.2.10-5 מעלות צלזיוס-1 זה בטמפרטורת החדר (25 מעלות צלזיוס). גוף זה נחשף לאחר מכן למקור חום, ומגיע בסוף חימוםו לטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס.
לקבוע:
א) ההרחבה שסבל הבר.
ב) האורך הסופי של הבר.
ג) פני השטח ומקדמי התפשטות הנפח של החומר ממנו עשויים פס זה.
פתרון הבעיה
א) כדי לחשב את ההתפשטות שסובל מהפס, עלינו לזכור שצורתו היא לינארית, ולכן זו צורת ההתרחבות החשובה ביותר ממנה סובלים. בעזרת נוסחת ההתרחבות הליניארית, יהיה לנו:
על פי התוצאה הנ"ל, סרגל זה יעבור הרחבה של 1.8 מ"מ באורכו.
ב) ניתן למצוא את האורך הסופי של הבר בקלות, מכיוון שאנו מכירים כבר את ההרחבה שנגרמה לה. אורכו הסופי יהיה 2.0018 מ ' (2 מטר ו- 1.8 מ"מ)
ג) מקדמי התפשטות השטח והנפח הם מכפילים מקדם התפשטות ליניארית. הערכים שלהם הם, בהתאמה, 2,4.10-5 מעלות צלזיוס-1ו 3,6.10-5 מעלות צלזיוס-1.
על ידי רפאל הלרברוק
קבעו את המודול של מקדם התפשטות פני השטח של אלומת פלדה הומוגנית באורך 5.0 מ 'אשר, כאשר היא מחוממת ל 50 ° C, יש התרחבות לינארית של 5.10-3 M.
בידיעה שלחומר מוצק והומוגני יש מקדם התפשטות נפחי קבוע השווה ל- 1.2.10-5 מעלות צלזיוס-1, לקבוע את מקדם התפשטות פני השטח של חומר זה ולבדוק את החלופה הנכונה:
