U vloeistoffen kan lijden thermische uitzetting, evenals vaste stoffen, bij verhitting. De uitzetting van vloeistoffen vindt plaats wanneer hun temperatuur neemt toe, zodat de moleculen meer geagiteerd zijn. Om de verwijding van het volume van een vloeistof te bepalen, moeten we de volumetrische uitzettingscoëfficiënt, maar ook de verwijding die de container die deze vloeistof bevat.
De verwijding van vloeistoffen wordt genoemd volumetrische dilatatie. Bij dit type verwijding worden alle afmetingen van een lichaam of vloeistof, zoals vloeistoffen en gassen, ondergaan aanzienlijke stijgingen als reactie op een stijging van de temperatuur. Dit fenomeen ontstaat door de thermische agitatie van de moleculen van het lichaam: hoe hoger de temperatuur, hoe groter de amplitude van de agitatie van deze moleculen, die in een grotere ruimte beginnen te bewegen.
Kijkenook: Basisconcepten van hydrostatica
Volumetrische expansie formule
We kunnen de volumetrische uitzetting van een vloeistof berekenen met behulp van de volgende formule:
V — volumevariatie (m³)
V0— aanvankelijk volume (m³)
γ — volumetrische uitzettingscoëfficiënt (°C-1)
T — temperatuurvariatie (°C)
De bovenstaande formule kan worden gebruikt om de toename in volume te berekenen (V) van een vloeistof als gevolg van een variatie in de temperatuur (T). Met sommige algebraïsche manipulaties is het mogelijk om dezelfde formule als hierboven te schrijven in een formaat waarmee we het uiteindelijke volume van een vloeistof direct kunnen berekenen na verwarming, zie:
V — uiteindelijk vloeistofvolume
Merk op dat het in beide formules nodig is om te weten hoeveel de constante, bekend als volumetrische uitzettingscoëfficiënt. Deze magnitude, gemeten in ºC-1(Er staat: 1 op graden Celsius), het geeft ons hoe groot de uitzetting van een stof is, voor elke 1°C verandering in de temperatuur.
Volumetrische uitzettingscoëfficiënt
De volumetrische uitzettingscoëfficiënt is a fysieke eigenschap die meet hoe groot de volumeverandering van een lichaam is voor een gegeven temperatuurverandering. Deze hoeveelheid is niet constant en de waarde ervan kan slechts voor sommige temperatuurbereiken als constant worden beschouwd. Bekijk wat typische waarden van de uitzettingscoëfficiënten van sommige stoffen in vloeibare toestand, bij een temperatuur van 20 °C:
Stof |
Volumetrische uitzettingscoëfficiënt (°C-1) |
Water |
1,3.10-4 |
Kwik |
1,8.10-4 |
Ethylalcohol |
11,2.10-4 |
Aceton |
14,9.10-4 |
Glycerine |
4,9.10-4 |
Zoals hierboven vermeld, heeft de volumetrische uitzettingscoëfficiënt: afhankelijkheid met de temperatuur-, dat wil zeggen dat uw module kan fluctueren tijdens het opwarmen of afkoelen. Daarom gebruiken we om de berekeningen te maken de uitzettingscoëfficiënten die binnen de temperatuurbereiken vallen, waarbij de grafiek van V x T het formaat heeft lineair. Kijk maar:
Tussen temperaturen T1 en T2, de uitzettingscoëfficiënt is constant.
Schijnbare verwijding van vloeistoffen
De schijnbare uitzetting van vloeistoffen wordt bepaald door het vloeistofvolume dat overstroomd als een container helemaal vol met deze vloeistof is verwarmde. Als de container echter een volumevariatie ervaart die gelijk is aan de volumetrische variatie die de vloeistof ondervindt, mag er geen vloeistof overlopen.
Het volume van de overstroomde vloeistof in de figuur komt overeen met de schijnbare uitzetting.
Schijnbare verwijdingsformules
Om het vloeistofvolume te berekenen dat over de fles stroomt, moeten we de formule van schijnbare dilatatie gebruiken, let op:
Vap — schijnbare dilatatie (m³)
V0 — aanvankelijk vloeistofvolume (m³)
γap — schijnbare volumetrische uitzettingscoëfficiënt (°C-1)
T — temperatuurvariatie (°C)
In de formule hierboven, Vap komt overeen met het volume van de overstroomde vloeistof, terwijl γap is de schijnbare uitzettingscoëfficiënt. Om te weten hoe we de schijnbare uitzettingscoëfficiënt moeten berekenen, moeten we rekening houden met de uitzetting die de kolf heeft ondergaan (VF) die de vloeistof bevatte. Hiervoor gebruiken we de volgende formule:
VF — flesexpansie (m³)
V0— initiële inhoud van de fles (m³)
γF — volumetrische uitzettingscoëfficiënt van de kolf (°C-1)
T — temperatuurvariatie (°C)
In de vorige uitdrukking, γF verwijst naar de volumetrische uitzettingscoëfficiënt van de container die de vloeistof bevat, en VF meet wat de verwijding van die fles was. Dus de werkelijke uitzetting die wordt geleden door de vloeistof (VR) kan worden berekend als de som van de schijnbare dilatatie met de dilatatie van de flacon, let op:
VR—werkelijke vloeistofdilatatie
Vap — schijnbare vloeistofdilatatie
VR - werkelijke flaconverwijding
Na wat algebraïsche manipulaties met de gepresenteerde formules, is het mogelijk om het volgende resultaat te bereiken:
γ — reële vloeistofuitzettingscoëfficiënt (°C-1)
γF — volumetrische uitzettingscoëfficiënt van de kolf (°C-1)
γap — schijnbare volumetrische uitzettingscoëfficiënt (°C-1)
De bovenstaande relatie geeft aan dat de werkelijke uitzettingscoëfficiënt van de vloeistof kan worden gevonden met behulp van de som tussen de schijnbare dilatatiecoëfficiënten het is de kolf uitzettingscoëfficiënt.
abnormale verwijding van water
Het water heeft een afwijkend gedrag met betrekking tot de thermische uitzetting tussen de temperaturen van 0°C en 4°C, begrijp: het water verwarmen van 0°C tot 4°C, uw, volume neemt af, in plaats van te verhogen. Om deze reden, in vloeibare toestand, dichtheid van het water heeft jouw hoogste waarde voor de temperatuur van 4°C. De onderstaande grafieken helpen om het gedrag van dichtheid en volume van water te begrijpen als functie van de temperatuur, let op:
Bij een temperatuur van 4°C is de dichtheid van water het hoogst.
Als gevolg van dit gedrag barsten frisdranken of flessen met water wanneer ze te lang in de vriezer worden bewaard. Wanneer het water de temperatuur van 4°C, het volume wordt minimaal ingenomen door vloeibaar water, als de koeling doorgaat, zal het watervolume toenemen in plaats van afnemen. wanneer het water bereikt 0°C, zal het watervolume enorm zijn toegenomen, terwijl de container zijn eigen afmetingen zal hebben verminderd, waardoor zijn breken.
Flessen gevuld met water die naar de vriezer gaan, kunnen barsten als ze 0°C bereiken.
Een ander gevolg van dit afwijkende gedrag van water is de geen bevriezing van rivierbodems in zeer koude streken. Wanneer de watertemperatuur 0 °C nadert, neemt de dichtheid af, en dan stijgt het koude water, vanwege de drijfvermogen. Terwijl het stijgt, bevriest het koude water en vormt een ijslaag over de rivieren. als ijs een goede is? thermische isolator, blijft de bodem van de rivieren op ongeveer 4 ºC, omdat bij deze temperatuur de dichtheid maximaal is en de neiging heeft om op de bodem van de rivieren te blijven.
De reden achter het afwijkende gedrag van water heeft een moleculaire oorsprong: tussen 0 °C en 4 °C, de elektrische aantrekkingskracht tussen de watermoleculen overwinnen thermische agitatie, vanwege het bestaan van waterstofbruggen die aanwezig zijn tussen de watermoleculen. Water.
Kijkenook: Hoe ontstaat abnormale wateruitzetting?
opgeloste oefeningen
1) Bepaal de volumetrische uitzettingscoëfficiënt van een portie vloeistof van 1 m³ die een uitzetting van 0,05 m³ ondergaat bij verwarming van 25°C tot 225°C.
Resolutie:
Laten we de uitzettingscoëfficiënt van de vloeistof in kwestie berekenen met behulp van de volumetrische uitzettingsformule:
Door de gegevens van de verklaring toe te passen op de vorige formule, zullen we de volgende berekening maken:
2) Een glazen kolf, waarvan de volumetrische uitzettingscoëfficiënt 27,10. is-6 °C-1, heeft een thermische capaciteit van 1000 ml, bij een temperatuur van 20 ºC, en is volledig gevuld met een onbekende vloeistof. Als we de opstelling opwarmen tot 120 ºC, loopt er 50 ml vloeistof uit de container. Bepaal de schijnbare uitzettingscoëfficiënten; de werkelijke uitzettingscoëfficiënt van de vloeistof; en de verwijding die de glazen flacon heeft ondergaan.
Resolutie:
Laten we de schijnbare uitzettingscoëfficiënt berekenen, daarvoor gebruiken we de volgende formule:
Met behulp van de inspanningsgegevens gaan we de volgende berekening maken:
Vervolgens berekenen we de werkelijke uitzettingscoëfficiënt van de vloeistof. Om dit te doen, moeten we berekenen wat de uitzetting was van de glazen fles:
Als we de gegevens uit de oefeningsverklaring vervangen, moeten we de volgende berekening oplossen:
Met de bovenstaande berekening hebben we bepaald wat de uitzetting was die de glazen kolf had. Dus, om de echte uitzetting van de vloeistof te vinden, voegt u gewoon het volume van de schijnbare dilatatie toe aan het volume van de dilatatie van de kolf:
Het resultaat verkregen in het bovenstaande antwoord geeft aan dat de vloeistof in de fles een werkelijke expansie van 52,7 ml onderging. Laten we tot slot de reële uitzettingscoëfficiënt van de vloeistof berekenen:
Met behulp van de bovenstaande formule berekenen we de reële wateruitzettingscoëfficiënt gelijk aan:
Daarom is de thermische uitzettingscoëfficiënt van deze vloeistof 5.27.10-4 °C-1.
Door mij Rafael Helerbrock
Bron: Brazilië School - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/dilatacao-liquidos.htm