Utvidelsetermisk det er et fysisk fenomen som oppstår fra en økning i kroppens temperatur. Når et legeme blir utsatt for en eller annen kilde til varme, din temperatur det kan gjennomgå variasjoner, og øke agitasjonen av molekylene, som svinger rundt et større rom.
Denne mikroskopiske variasjonen i vibrasjon av molekyler kan oppfattes på en makroskopisk skala, som når en jernstang blir værende litt større som et resultat av oppvarming.
lineær utvidelse
Utvidelselineær av faste stoffer er det fysiske fenomenet som oppstår når kroppsformede kropper som er i fast tilstand, som ledninger, kabler, nåler, stenger, rør, gjennomgår en temperaturvariasjon. For å beregne størrelsen på den lineære utvidelsen bruker vi koeffisientiutvidelselineær av materiale.
Eksempler på lineær termisk ekspansjon
Svingning av togspor på grunn av den store termiske amplituden i løpet av dagen og natten. På grunn av denne effekten brukes ekspansjonsfugen, et lite mellomrom mellom to påfølgende stenger.
Kobbertrådene som brukes i overføring av elektrisk strøm på polene er alltid større enn avstanden mellom polene. Hvis de ikke var det, på kalde dager, ville disse lederne ha negative variasjoner i lengden og kan lide brudd
overfladisk utvidelse
Utvidelsegrunt av faste stoffer er variasjonen i området til en kropp som er i fast tilstand på grunn av en økning i temperaturen. Beregningen av overflateutvidelsen til et fast stoff avhenger av dets koeffisientiutvidelsegrunt.
Eksempler på overflate termisk ekspansjon
Mellom flisplatene, brukt i boliggulv og fortau, er det en liten ledig plass igjen, som er okkupert av fugemassen, et porøst materiale som er i stand til å absorbere en del av utvidelsen som delene har hatt keramikk.
Det er vanlig å se mekanikere som varmer opp en mutter festet til en bolt for å fjerne den, ettersom oppvarmingen får mutteren til å utvide seg, noe som gjør det lettere å fjerne den.
volumetrisk utvidelse
volumetrisk utvidelsedet er utvidelsen av kroppens volum ved å øke temperaturen. Volumetrisk utvidelse beregnes fra koeffisientiutvidelsevolumetrisk av kroppen.
Eksempler på volumetrisk termisk utvidelse
Skruer som brukes i flykropper kan plasseres ved svært lave temperaturer før de blir tredd. Etter gjenging utvider økningen i skruetemperatur sine dimensjoner, noe som gjør det nesten umulig å fjerne den senere.
Termisk ekspansjonskoeffisient
Mens noen materialer må gjennomgå enorme temperaturvariasjoner for at utvidelsen skal bli merkbar, andre må ha temperaturen variert noen få grader slik at forskjellene i dimensjoner.
Den fysiske egenskapen som bestemmer hvor lett eller vanskelig det er for materialet som endrer dimensjonene ved en temperaturvariasjon kalles termisk ekspansjonskoeffisient.
Med temperaturøkningen begynner molekylene i en kropp å oppta et større rom.
Seogså: Kalorimetri
Hvert materiale har sin egen termiske ekspansjonskoeffisient, som kan være av tre forskjellige typer: koeffisient av utvidelselineær, grunt og volumetrisk. For å beregne utvidelsen som en kropp lider, bruker vi bare en av disse koeffisientene, bestemt i henhold til kroppens form.
Til tross for lidende overflate og volumetrisk utvidelse, langstrakte legemer som har lineær symmetri, som f.eks kabler og ledninger, er utsatt for utvidelse i lengden mye større enn utvidelsen i deres område eller volum.
Ekspansjonskoeffisientene lineær, grunt og volumetrisk er betegnet henholdsvis med de greske bokstavene α, β, og γ, og dens måleenhet er ºC-1.
Effekten av termisk ekspansjon av faste stoffer er av stor kommersiell og teknologisk betydning. Bygningskonstruksjon bruker for eksempel materialer som ofte utsettes for store og noen ganger skarpe temperaturvariasjoner. I dette tilfellet er det viktig å kjenne utvidelseskoeffisientene til hvert materiale som brukes i sivil konstruksjon for å unngå at det oppstår sprekker og andre strukturelle feil.
Forholdet mellom utvidelseskoeffisienter for faste stoffer
Kropper med forskjellige symmetrier laget av det samme materialet gjennomgår forskjellige former for utvidelse. En jernstang gjennomgår for eksempel lineær utvidelse, mens et ark av samme materiale gjennomgår overflateutvidelse. Dette er fordi koeffisienten for overflateutvidelse er dobbelt så stor som utvidelseskoeffisienten lineær, mens den volumetriske ekspansjonskoeffisienten er tre ganger større enn ekspansjonskoeffisienten lineær. Se:
Ikke stopp nå... Det er mer etter annonseringen;)
α – lineær ekspansjonskoeffisient
β – overflatekspansjonskoeffisient
γ – volumetrisk utvidelseskoeffisient
Termisk utvidelse i broer
Effektene av termisk ekspansjon er spesielt viktige i konstruksjoner som ikke kan deformere eller sprekke strukturen, for eksempel broer. Det er derfor, i denne typen konstruksjon, brukes flere ekspansjonsfuger.
Bildet nedenfor viser utvidelsesfugen til en bro. Se:
Ekspansjonsfuger reduserer sjansene for sprekk som følge av utvidelsen av betongen i broene.
Formelle ekspansjonsformler
Sjekk nedenfor formlene som brukes til å beregne de lineære, overfladiske og volumetriske utvidelsene av faste stoffer.
Lineær utvidelsesformel
Den lineære utvidelsesformelen kan presenteres på to måter: en for å beregne den endelige kroppsstørrelsen og en annen for å beregne lengdevariasjonen under utvidelsen:
L - endelig lengde
L0 - startlengde
AT - temperaturvariasjon
ΔL - lengdevariasjon
Formel for utvidelse av overflaten
I likhet med den lineære ekspansjonsformelen kan overflateekspansjonsformelen også skrives på to forskjellige måter:
s - endelig område
s0 - innledende område
AT - temperaturvariasjon
S - arealvariasjon
Volumetrisk utvidelsesformel
Til slutt har vi uttrykkene som lar oss beregne det endelige volumet til en kropp eller dens volumetriske variasjon:
V - Endelig volum
V0 - startvolum
AT - temperaturvariasjon
AV - volumvariasjon
Sammendrag
Når et fast stoff varmes opp, begynner molekylene å vibrere bredere og tar mer plass. Avhengig av oppvarmings- og ekspansjonskoeffisienten til materialet, kan effekten observeres med det blotte øye.
Overflate- og volumetriske ekspansjonskoeffisienter for det samme homogene materialet (laget av et enkelt stoff) er henholdsvis dobbelt og tredoblet den lineære ekspansjonskoeffisienten.
Hver kropp gjennomgår alle tre typer utvidelse samtidig, men en av dem er mer signifikant enn de andre, siden den er mer privilegert av kroppens form.
Øvelser på termisk ekspansjon
En 2,0 m lang jernstang hvis lineære utvidelseskoeffisient er α = 1.2.10-5 ° C-1 det er ved romtemperatur (25 ºC). Dette legemet utsettes deretter for en varmekilde og når slutten av oppvarmingen en temperatur på 100 ° C.
Fastslå:
a) utvidelsen baren har påført.
b) den endelige lengden på stangen.
c) overflaten og volumetriske ekspansjonskoeffisienter for materialet som denne stangen er laget av.
Vedtak
a) For å beregne utvidelsen som baren måtte lide, må vi huske at dens form er lineær, så dette er den viktigste ekspansjonsformen den har fått. Ved å bruke den lineære utvidelsesformelen vil vi ha:
I henhold til ovennevnte resultat vil denne stangen gjennomgå en utvidelse på 1,8 mm i lengden.
b) Den endelige lengden på stangen kan lett bli funnet, siden vi allerede vet utvidelsen den har fått. Den endelige lengden vil være 2.0018 moh (2 meter og 1,8 mm)
c) Overflate- og volumetriske ekspansjonskoeffisienter er multipler av den lineære ekspansjonskoeffisienten. Verdiene deres er henholdsvis 2,4.10-5 ° C-1og 3,6.10-5 ° C-1.
Av meg. Rafael Helerbrock
Bestem modulen for overflateutvidelseskoeffisienten til en 5,0 m lang homogen stålbjelke som, når den er oppvarmet til 50 ° C, har en lineær utvidelse på 5,10-3 m.
Å vite at et fast og homogent materiale har en konstant volumetrisk ekspansjonskoeffisient lik 1.2.10-5 ° C-1, bestem koeffisienten for overflateutvidelse av dette materialet og sjekk riktig alternativ:
