ty płyny może cierpieć rozszerzalność cieplna, jak również ciała stałe po podgrzaniu. Rozszerzanie się cieczy następuje, gdy ich temperatura wzrasta, dzięki czemu jego cząsteczki są bardziej wzburzone. Aby określić dylatację objętości cieczy, musimy znać jej współczynnik rozszerzalności objętościowej, ale także rozszerzenie poniesione przez pojemnik który zawiera ten płyn.
Rozszerzenie, którego doświadczają płyny, nazywa się dylatacja wolumetryczna. W tego typu dylatacjach wszystkie wymiary ciała lub płyn, podobnie jak ciecze i gazy, ulegają znacznemu wzrostowi w odpowiedzi na wzrost temperatury. Zjawisko to powstaje w wyniku termicznego pobudzenia cząsteczek organizmu: im wyższa temperatura, tym większa amplituda pobudzenia tych cząsteczek, które zaczynają poruszać się w większej przestrzeni.
Teraz nie przestawaj... Po reklamie jest więcej ;)
Popatrzrównież: Podstawowe pojęcia hydrostatyki
Formuła ekspansji objętościowej
Rozszerzenie objętościowe cieczy możemy obliczyć za pomocą następującego wzoru:
V — zmiana objętości (m³)
V0— objętość początkowa (m³)
γ — współczynnik rozszerzalności objętościowej (°C-1)
T — wahania temperatury (°C)
Przedstawiony powyżej wzór można wykorzystać do obliczenia przyrostu objętości (V) cieczy ze względu na zmianę jej temperatury (T). Przy niektórych manipulacjach algebraicznych możliwe jest napisanie tego samego wzoru jak powyżej w formacie, który pozwala nam bezpośrednio obliczyć końcową objętość cieczy po jej podgrzaniu, patrz:
V — końcowa objętość cieczy
Zwróć uwagę, że w obu formułach należy wiedzieć, ile how stała γ, znany jako współczynnik rozszerzalności objętościowej. Ta wielkość, mierzona w ºC-1(Brzmi: 1 na stopnie Celsjusza), daje nam to, jak wielka jest ekspansja jakiejś substancji na każdy 1°C zmiany jej temperatury.
Współczynnik rozszerzalności objętościowej
Współczynnik rozszerzalności objętościowej wynosi a własność fizyczna który mierzy, jak duża jest zmiana objętości ciała przy danej zmianie jego temperatury. Wielkość ta nie jest stała, a jej wartość można uznać za stałą tylko dla niektórych zakresów temperatur. Sprawdź niektóre typowe wartości współczynników rozszerzalności niektórych substancji w stanie ciekłym w temperaturze 20 °C:
Substancja |
Współczynnik rozszerzalności objętościowej (°C-1) |
woda |
1,3.10-4 |
Rtęć |
1,8.10-4 |
Alkohol etylowy |
11,2.10-4 |
Aceton |
14,9.10-4 |
gliceryna |
4,9.10-4 |
Jak stwierdzono powyżej, współczynnik rozszerzalności objętościowej ma zależność z temperaturaoznacza to, że moduł może się zmieniać podczas rozgrzewania lub schładzania. Dlatego do obliczeń używamy współczynników rozszerzalności mieszczących się w zakresach temperatur, gdzie wykres V x T ma format liniowy. Zegarek:
Między temperaturami T1 oraz T2, współczynnik rozszerzalności jest stały.
Pozorne rozszerzenie cieczy
Pozorna ekspansja cieczy jest określona przez objętość cieczy, która jest przepełniony jeśli pojemnik całkowicie wypełniony tym płynem jest Ogrzewany. Jednakże, jeśli pojemnik doświadcza zmian objętości równych zmianom objętości cieczy, ciecz nie powinna się przelewać.
Objętość przelanej cieczy na rysunku odpowiada pozornej ekspansji.
Pozorne wzory dylatacyjne
Aby obliczyć objętość płynu, który przelewa się z butelki, musimy skorzystać ze wzoru na pozorne rozszerzenie, uwaga:
Vap — dylatacja pozorna (m³)
V0 — początkowa objętość cieczy (m³)
γap — pozorny współczynnik rozszerzalności objętościowej (°C-1)
T — wahania temperatury (°C)
W powyższym wzorze Vap odpowiada objętości przelanej cieczy, natomiast γap jest pozornym współczynnikiem rozszerzalności. Aby wiedzieć, jak obliczyć współczynnik rozszerzalności pozornej, musimy wziąć pod uwagę rozszerzanie, jakie poniosła kolba (Vfa), który zawierał płyn. W tym celu użyjemy następującego wzoru:
Vfa — rozszerzenie butelki (m³)
V0— początkowa objętość butelki (m³)
γfa — współczynnik rozszerzalności objętościowej kolby (°C-1)
T — wahania temperatury (°C)
W poprzednim wyrażeniu γfa odnosi się do współczynnika rozszerzalności objętościowej pojemnika zawierającego ciecz, oraz Vfa mierzy jakie było rozszerzenie tej butelki. Tak więc rzeczywista ekspansja poniesiona przez ciecz (VR) można obliczyć jako sumę dylatacji pozornej z dylatacją fiolkową, uwaga:
VR— rzeczywista dylatacja cieczy
Vap — pozorna dylatacja cieczy
VR — rzeczywiste rozszerzenie fiolki
Po kilku manipulacjach algebraicznych z przedstawionymi wzorami można uzyskać następujący wynik:
γ — rzeczywisty współczynnik rozszerzalności cieczy (°C-1)
γfa — współczynnik rozszerzalności objętościowej kolby (°C-1)
γap — pozorny współczynnik rozszerzalności objętościowej (°C-1)
Powyższa zależność wskazuje, że rzeczywisty współczynnik rozszerzalności cieczy można znaleźć za pomocą suma pomiędzy pozorne współczynniki dylatacji to jest współczynnik rozszerzalności kolby.
anomalne rozszerzenie wody
Woda ma nietypowe zachowanie dotyczące rozszerzalności cieplnej pomiędzy temperaturami 0°C i 4°C, zrozum: podgrzewanie wody od 0°C do 4°C, twój zmniejsza się głośność, zamiast wzrastać. Z tego powodu w stanie ciekłym gęstość wody ma twoje najwyższa wartość dla temperatury 4°C. Poniższe wykresy pomagają zrozumieć zachowanie gęstości i objętości wody w funkcji jej temperatury, uwaga:
W temperaturze 4°C gęstość wody jest najwyższa.
W wyniku tego zachowania napoje bezalkoholowe lub butelki z wodą pękają, gdy są zbyt długo przechowywane w zamrażarce. Gdy woda osiągnie temperaturę 4°C, jego objętość jest minimalnie zajęta przez wodę w stanie ciekłym, jeśli chłodzenie będzie kontynuowane, objętość wody będzie się zwiększać zamiast zmniejszać. kiedy woda osiągnie 0°C, objętość wody znacznie wzrośnie, podczas gdy jej zbiornik zmniejszy swoje własne pomiary, powodując jej złamać.
Butelki napełnione wodą, które trafiają do zamrażarki, mogą pęknąć, gdy osiągną 0°C.
Inną konsekwencją tego anomalnego zachowania wody jest brak zamarzania dna rzek w bardzo zimnych regionach. Gdy temperatura wody zbliża się do 0 ºC, jej gęstość maleje, a następnie podnosi się woda zimna, ze względu na pławność. Podczas wznoszenia zimna woda zamarza, tworząc warstwę lodu nad rzekami. jak lód jest dobry izolator termiczny, dno rzek utrzymuje się na poziomie około 4 ºC, ponieważ w tej temperaturze jego gęstość jest maksymalna i zwykle pozostaje na dnie rzek.
Przyczyna anomalnego zachowania wody ma pochodzenie molekularne: między 0 ° C a 4 ° C przyciąganie elektryczne między cząsteczki wody przezwyciężają pobudzenie termiczne, dzięki istnieniu wiązań wodorowych obecnych między cząsteczkami wody. Woda.
Popatrzrównież: Jak zachodzi anomalna ekspansja wody?
rozwiązane ćwiczenia
1) Określ współczynnik rozszerzalności objętościowej 1 m³ porcji cieczy, która ulega rozszerzeniu o 0,05 m³ po podgrzaniu z 25°C do 225°C.
Rozkład:
Obliczmy współczynnik rozszerzalności danej cieczy za pomocą wzoru na rozszerzalność objętościową:
Stosując dane podane w oświadczeniu do poprzedniego wzoru, dokonamy następującego obliczenia:
2) Kolba szklana, której współczynnik rozszerzalności objętościowej wynosi 27,10-6 °C-1, ma pojemność cieplną 1000 ml, w temperaturze 20 ºC i jest całkowicie wypełniony nieznaną cieczą. Po podgrzaniu zestawu do 120 ºC z pojemnika wylewa się 50 ml płynu. Określ pozorne współczynniki rozszerzalności; rzeczywisty współczynnik rozszerzalności cieczy; i rozszerzenie doznane przez szklaną fiolkę.
Rozkład:
Obliczmy pozorny współczynnik rozszerzalności, w tym celu użyjemy następującego wzoru:
Korzystając z danych ćwiczeń, wykonamy następujące obliczenia:
Następnie obliczymy rzeczywisty współczynnik rozszerzalności cieczy. Aby to zrobić, musimy obliczyć, jakie rozszerzenie doznała szklana butelka:
Zastępując dane podane w zestawieniu ćwiczeń, musimy rozwiązać następujące obliczenie:
Na podstawie powyższych obliczeń ustaliliśmy, jakie było rozszerzenie poniesione przez szklaną kolbę. Tak więc, aby znaleźć rzeczywistą ekspansję cieczy, wystarczy dodać objętość pozornej dylatacji do objętości rozszerzenia kolby:
Wynik uzyskany w powyższej odpowiedzi wskazuje, że płyn wewnątrz butelki uległ rzeczywistemu rozszerzeniu o 52,7 ml. Na koniec obliczmy rzeczywisty współczynnik rozszerzalności cieczy:
Korzystając z powyższego wzoru obliczamy rzeczywisty współczynnik rozszerzalności wody równy:
Dlatego współczynnik rozszerzalności cieplnej tej cieczy wynosi 5,27,10-4 °C-1.
Przeze mnie Rafael Helerbrock
