התרחבות נוזלים: סוגים, נוסחאות ותרגילים

אתה נוזלים יכול לסבול התפשטות תרמית, כמו גם מוצקים, כאשר הם מחוממים. התפשטות הנוזלים מתרחשת כאשר הטמפרטורה שלהם עולה, כך שהמולקולות שלה נסערות יותר. כדי לקבוע את התרחבות נפח הנוזל, עלינו לדעת מהו מקדם התפשטות נפחי, אך גם ההתרחבות שספגה ה מְכוֹלָה שמכיל את הנוזל הזה.

ההרחבה שסובלים מנוזלים נקראת התרחבות נפחית. בסוג זה של התרחבות, כל הממדים של גוף או נוֹזֵל, כמו נוזלים וגזים, עוברים עליות משמעותיות בתגובה לעליית הטמפרטורה. תופעה זו מתעוררת בגלל התסיסה התרמית של מולקולות הגוף: ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך משרעת התסיסה של מולקולות אלה גדלה, שמתחילות לנוע בחלל גדול יותר.

תראהגַם: מושגים בסיסיים של הידרוסטטיקה

נוסחת הרחבה נפחית

אנו יכולים לחשב את התפשטות הנפח שסובל מנוזל באמצעות הנוסחה הבאה:

ΔV - וריאציית נפח (m³)

ו₀- נפח התחלתי (m³)

γ - מקדם התרחבות נפחי (° C^-1)

ΔT - וריאציה בטמפרטורה (° C)

ניתן להשתמש בנוסחה המוצגת לעיל לחישוב הגידול בנפח (ΔV) של נוזל עקב שונות בטמפרטורה שלו (ΔT). עם כמה מניפולציות אלגבריות, ניתן לכתוב את אותה הנוסחה כמו לעיל בפורמט המאפשר לנו לחשב ישירות את הנפח הסופי של נוזל לאחר חימוםו, ראה:

ו - נפח נוזלי סופי

שים לב, בשתי הנוסחאות, יש צורך לדעת כמה קבוע γ, ידוע כ מקדם התפשטות נפחי. גודל זה, נמדד ב- ºC^-1(כתוב: 1 על מעלות צלזיוס), זה נותן לנו עד כמה התפשטות חומר כלשהו גדולה, על כל 1 מעלות צלזיוס של שינוי בטמפרטורה שלו.

מקדם התרחבות נפחי

מקדם ההרחבה הנפחי הוא a רכוש פיזי המודד כמה גדול נפח הגוף בגין שינוי נתון בטמפרטורה שלו. כמות זו אינה קבועה, וערכה יכול להיחשב קבוע לטווחי טמפרטורה מסוימים בלבד. בדוק כמה ערכים אופייניים מקדמי התפשטות של חומרים מסוימים במצב נוזלי, בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס:

חומר	מקדם התרחבות נפחי (° C^-1)
מים	1,3.10^-4
כַּספִּית	1,8.10^-4
אלכוהול אתילי	11,2.10^-4
אֲצֵטוֹן	14,9.10^-4
גליצרין	4,9.10^-4

כאמור לעיל, יש למקדם ההתרחבות הנפחי תלות עם ה טֶמפֶּרָטוּרָהכלומר, המודול שלך עשוי להשתנות במהלך חימום או קירור. לכן, לצורך ביצוע החישובים, אנו משתמשים במקדמי ההרחבה הנמצאים בטווחי הטמפרטורה, כאשר הגרף של V x T יש את הפורמט לינארי. שעון:

בין הטמפרטורות T₁ ו- ת₂מקדם ההתרחבות קבוע.

התרחבות נוזלים לכאורה

התפשטות לכאורה של נוזלים נקבעת על ידי נפח הנוזל עלה על גדותיו אם מיכל מלא לחלוטין בנוזל זה מְחוּמָם. עם זאת, אם המיכל חווה וריאציה נפחית השווה לווריאציה הנפחית שסובל מהנוזל, אף נוזל לא אמור לעלות על גדותיו.

נפח הנוזל שהוצף באיור מתאים להתפשטות לכאורה.

נוסחאות התרחבות לכאורה

על מנת לחשב את נפח הנוזל הגולש מהבקבוק, עלינו להשתמש בנוסחה של התרחבות לכאורה, שימו לב:

ΔV_ap - התרחבות לכאורה (m³)

ו₀ — נפח נוזלי ראשוני (m³)

γ_ap - מקדם התרחבות נפחי לכאורה (° C^-1)

ΔT - וריאציה בטמפרטורה (° C)

בנוסחה שלעיל, ΔV_ap תואם לנפח הנוזל שהוצף, ואילו γ_ap הוא מקדם ההרחבה לכאורה. על מנת לדעת כיצד לחשב את מקדם ההרחבה לכאורה, עלינו לקחת בחשבון את ההרחבה שספגה הבקבוקון (ΔV_F) שהכיל את הנוזל. לשם כך נשתמש בנוסחה הבאה:

ΔV_F - הרחבת בקבוק (m³)

ו₀- נפח ראשוני של הבקבוק (m³)

γ_F - מקדם התפשטות נפחית של הבקבוקון (° C^-1)

ΔT - וריאציה בטמפרטורה (° C)

בביטוי הקודם, γ_F מתייחס למקדם התפשטות הנפח של המיכל המכיל את הנוזל, ו ΔV_F מודד מה היה התרחבות הבקבוק. לפיכך, ההתרחבות בפועל שספגה הנוזל (ΔV_ר) ניתן לחשב את סכום ההתרחבות לכאורה עם הרחבת הבקבוקון, שימו לב:

ΔV_ר- התרחבות נוזלית בפועל

ΔV_ap - התרחבות נוזלית לכאורה

ΔV_ר - התרחבות בקבוקון בפועל

לאחר כמה מניפולציות אלגבריות עם הנוסחאות המוצגות, ניתן להגיע לתוצאה הבאה:

γ - מקדם התפשטות נוזלים אמיתי (° C^-1)

γ_F - מקדם התפשטות נפחית של הבקבוקון (° C^-1)

γ_ap - מקדם התרחבות נפחי לכאורה (° C^-1)

הקשר לעיל מציין כי ניתן למצוא את מקדם ההתרחבות בפועל של הנוזל באמצעות ה- סְכוּם בין ה מקדמי התרחבות לכאורה זה ה מקדם הרחבת הבקבוקון.

התרחבות חריגה של מים

למים יש התנהגות חריגה לגבי ההתפשטות התרמית בין הטמפרטורות של 0 מעלות צלזיוס ו -4 מעלות צלזיוס, להבין: לחמם את המים מ 0 ° C ל 4 ° C, שלך נפח יורד, במקום להגדיל. מסיבה זו, במצב נוזלי, ה צְפִיפוּת מהמים יש את שלך הערך הגבוה ביותר לטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס. הגרפים שלמטה עוזרים להבין את התנהגות צפיפות ונפח המים כפונקציה של הטמפרטורה שלהם, שימו לב:

בטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס צפיפות המים היא הגבוהה ביותר.

כתוצאה מהתנהגות זו, משקאות קלים או בקבוקי מים מתפוצצים כאשר הם נשארים במקפיא זמן רב מדי. כאשר המים מגיעים לטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס, נפחו תפוס מינימלי על ידי מים נוזליים, אם הקירור יימשך, נפח המים יגדל במקום ירידה. כשהמים מגיעים 0 מעלות צלזיוס, נפח המים יגדל מאוד, ואילו המכל שלו יביא להפחתת המדידות שלו ולגרום לו לשבור.

בקבוקים מלאים במים המועברים למקפיא עלולים להתפוצץ כשהם מגיעים ל- 0 מעלות צלזיוס.

תוצאה נוספת של התנהגות חריגה זו של מים היא ללא הקפאת קרקעית הנהר באזורים קרים מאוד. כאשר טמפרטורת המים מתקרבת ל- 0 מעלות צלזיוס, צפיפותה פוחתת ואז המים הקרים עולים בגלל ה צִיפָה. עם עלייתם, המים הקרים קופאים ויוצרים שכבת קרח מעל הנהרות. כמו קרח זה טוב מבודד תרמי, קרקעית הנהרות נותרת בערך 4 מעלות צלזיוס מכיוון שבטמפרטורה זו צפיפותה מקסימאלית ונוטה להישאר בקרקעית הנהרות.

הסיבה מאחורי ההתנהגות החריגה של מים היא מקור מולקולרי: בין 0 ° C ל -4 ° C, המשיכה החשמלית בין מולקולות מים מתגברות על תסיסה תרמית, בגלל קיומן של קשרי מימן בין מולקולות המים. מים.

תראהגַם: כיצד מתרחשת התפשטות מים חריגה?

תרגילים נפתרו

1) קבע את מקדם התפשטות הנפח של חלק 1 מ"ק נוזל שעובר התרחבות של 0.05 מ"ק כאשר הוא מחומם מ 25 ° C ל 225 ° C.

פתרון הבעיה:

בואו נחשב את מקדם התפשטות הנוזל המדובר באמצעות נוסחת התפשטות הנפח:

החלת הנתונים המסופקים על ידי ההצהרה על הנוסחה הקודמת, נערוך את החישוב הבא:

2) בקבוק זכוכית, שמקדם התפשטותו הנפחי הוא 27.10^-6 מעלות צלזיוס^-1, קיבולת תרמית של 1000 מ"ל, בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס, והיא מלאה לחלוטין בנוזל לא ידוע. כשאנחנו מחממים את המכשיר עד 120 מעלות צלזיוס, 50 מ"ל נוזל גולש מהמיכל. קבע את מקדמי ההרחבה לכאורה; מקדם ההרחבה בפועל של הנוזל; וההתרחבות שספגה בקבוקון הזכוכית.

פתרון הבעיה:

בואו נחשב את מקדם ההרחבה לכאורה, לשם כך נשתמש בנוסחה הבאה:

בעזרת נתוני התרגיל נעשה את החישוב הבא:

בשלב הבא נחשב את מקדם התפשטותו בפועל של הנוזל. לשם כך עלינו לחשב מה הייתה ההרחבה שספג בקבוק הזכוכית:

החלפת הנתונים המסופקים על ידי הצהרת התרגיל, עלינו לפתור את החישוב הבא:

בעזרת החישוב לעיל קבענו מה הייתה ההרחבה שספגה בקבוק הזכוכית. לכן, כדי למצוא את ההתפשטות האמיתית של הנוזל, פשוט הוסף את נפח ההתרחבות לכאורה לנפח ההתרחבות של הבקבוק:

התוצאה שהתקבלה בתשובה לעיל מצביעה על כך שהנוזל שבתוך הבקבוק עבר התרחבות של 52.7 מ"ל בפועל. לבסוף, בואו נחשב את מקדם ההרחבה האמיתי של הנוזל:

בעזרת הנוסחה שלעיל, אנו מחשבים את מקדם הרחבת המים האמיתי השווה ל:

לכן מקדם ההתרחבות התרמית של נוזל זה הוא 5.27.10^-4 מעלות צלזיוס^-1.

על ידי רפאל הלרברוק

מָקוֹר: בית ספר ברזיל - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/dilatacao-liquidos.htm