Utspädning av vätskor: typer, formler och övningar

Du vätskor kan lida termisk expansion, liksom fasta ämnen, vid upphettning. Vätskeutvidgningen inträffar när deras temperatur ökar, så att dess molekyler blir mer upprörda. För att bestämma expansionen av volymen av en vätska måste vi veta dess volymetrisk expansionskoefficient, men också utvidgningen som drabbats av behållare som innehåller denna vätska.

Den utvidgning som vätskor drabbas av kallas volymetrisk utvidgning. I denna typ av utvidgning, alla dimensioner av en kropp eller vätska, som vätskor och gaser, genomgår betydande ökningar som svar på en temperaturökning. Detta fenomen uppstår på grund av termisk omrörning av kroppens molekyler: ju högre temperatur, desto större amplituden för omrörning av dessa molekyler, som börjar röra sig i ett större utrymme.

Seockså: Grundläggande begrepp för hydrostatik

Volymetrisk expansionsformel

Vi kan beräkna den volymetriska expansionen av en vätska med följande formel:

AV - volymvariation (m³)

V₀- initial volym (m³)

γ - Volymetrisk expansionskoefficient (° C^-1)

instagram story viewer

AT - temperaturvariation (° C)

Formeln som visas ovan kan användas för att beräkna volymökningen (AV) av en vätska på grund av en variation i dess temperatur (AT). Med vissa algebraiska manipulationer är det möjligt att skriva samma formel som ovan i ett format som låter oss direkt beräkna den slutliga volymen av en vätska efter uppvärmning, se:

V - slutlig vätskevolym

Observera att i båda formlerna är det nödvändigt att veta hur mycket konstant γ, känd som volymetrisk expansionskoefficient. Denna storlek, mätt i ºC^-1(Den lyder: 1 på grader Celsius), det ger oss hur stor expansionen av något ämne är för varje temperaturförändring på 1 ° C.

Volymetrisk expansionskoefficient

Den volymetriska expansionskoefficienten är a fysikalisk egenskap som mäter hur stor en kropps volymförändring är för en given temperaturförändring. Denna kvantitet är inte konstant och dess värde kan betraktas som konstant för endast vissa temperaturintervall. Kolla in några typiska värden av expansionskoefficienterna för vissa ämnen i flytande tillstånd, vid en temperatur av 20 ° C:

Ämne	Volymetrisk expansionskoefficient (° C^-1)
Vatten	1,3.10^-4
Kvicksilver	1,8.10^-4
Etanol	11,2.10^-4
Aceton	14,9.10^-4
Glycerin	4,9.10^-4

Som nämnts ovan har den volymetriska expansionskoefficienten beroende med temperaturdet vill säga din modul kan fluktuera under uppvärmning eller nedkylning. För att göra beräkningarna använder vi därför expansionskoefficienterna inom temperaturintervallen, där grafen för V x T har formatet linjär. Kolla på:

Mellan temperaturerna T₁ och t₂är expansionskoefficienten konstant.

Tydlig utvidgning av vätskor

Den skenbara expansionen av vätskor bestäms av den vätskevolym som är flödade över om en behållare helt full av denna vätska är uppvärmd. Men om behållaren upplever en volymvariation som är lika med den volymvariation som vätskan drabbas av, bör ingen vätska rinna över.

Volymen vätska som överflödas i figuren motsvarar den uppenbara expansionen.

Tydliga utspädningsformler

För att beräkna volymen vätska som flyter över från flaskan måste vi använda formeln för uppenbar utvidgning, notera:

AV_ap - uppenbar utvidgning (m³)

V₀ — initial vätskevolym (m³)

γ_ap - uppenbar volymetrisk expansionskoefficient (° C^-1)

AT - temperaturvariation (° C)

I formeln ovan, AV_apmotsvarar volymen av flytande vätska, medan γ_apär den uppenbara expansionskoefficienten. För att veta hur man beräknar den uppenbara expansionskoefficienten måste vi ta hänsyn till den expansion som kolven drabbas av (AV_F) som innehöll vätskan. För att göra det kommer vi att använda följande formel:

AV_F - kolvutvidgning (m³)

V₀- flaskans initialvolym (m³)

γ_F - kolvens volymetriska expansionskoefficient (° C^-1)

AT - temperaturvariation (° C)

I föregående uttryck, γ_Favser koefficienten för volymetrisk expansion av behållaren som innehåller vätskan, och AV_Fmäter vad som var utvidgningen av den flaskan. Den faktiska expansionen som vätskan lidit (AV_R) kan beräknas som summan av den uppenbara utvidgningen med utvidgningen av ampullen, notera:

AV_R—Aktuell flytande utvidgning

AV_ap- uppenbar vätskevidgning

AV_R- faktisk utvidgning av injektionsflaskan

Efter några algebraiska manipuleringar med de presenterade formlerna är det möjligt att nå följande resultat:

γ - verklig vätskexpansionskoefficient (° C^-1)

γ_F - kolvens volymetriska expansionskoefficient (° C^-1)

γ_ap - uppenbar volymetrisk expansionskoefficient (° C^-1)

Ovanstående förhållande indikerar att den faktiska expansionskoefficienten för vätskan kan hittas med hjälp av belopp mellan uppenbara utvidgningskoefficienter det är kolvsexpansionskoefficient.

avvikande dilatation av vatten

Vattnet har en avvikande beteende beträffande den termiska expansionen mellan temperaturerna på 0 ° C och 4 ° C, förstå: värma vattnet från 0 ° C till 4 ° C, din volymen minskaristället för att öka. Av detta skäl, i flytande tillstånd, densitet av vattnet har din högsta värdet för temperaturen på 4 ° C. Diagrammen nedan hjälper till att förstå beteendet hos vattentätheten och volymen som en funktion av dess temperatur, notera:

Vid en temperatur på 4 ° C är vattentätheten den högsta.

Som ett resultat av detta beteende sprutar läskedrycker eller flaskor vatten när de lämnas i frysen för länge. När vattnet når temperaturen på 4 ° Cär dess volym minimalt upptagen av flytande vatten. Om kylningen fortsätter kommer vattenvolymen att öka istället för att minska. när vattnet når 0 ° Ckommer vattenvolymen att ha ökat kraftigt, medan behållaren har minskat sina egna mätningar och orsakat dess ha sönder.

Flaskor fyllda med vatten som går till frysen kan spricka när de når 0 ° C.

En annan konsekvens av detta avvikande beteende hos vatten är ingen frysning av flodbottnar i mycket kalla områden. När vattentemperaturen närmar sig 0 ° C minskar densiteten och sedan stiger det kalla vattnet på grund av bärighet. När det stiger upp fryser det kalla vattnet och bildar ett islager över floderna. eftersom is är bra värmeisolator, förblir flodernas botten vid ungefär 4 ºC, eftersom dess densitet vid denna temperatur är maximal och tenderar att förbli vid botten av floderna.

Anledningen till vattnets avvikande beteende har ett molekylärt ursprung: mellan 0 ° C och 4 ° C, den elektriska attraktionen mellan vattenmolekyler övervinner termisk omrörning på grund av förekomsten av vätebindningar mellan vattenmolekylerna. Vatten.

Seockså: Hur sker en avvikande vattenutvidgning?

lösta övningar

1) Bestäm den volymetriska expansionskoefficienten för en 1 m³ portion vätska som genomgår en 0,05 m³ expansion vid upphettning från 25 ° C till 225 ° C.

Upplösning:

Låt oss beräkna expansionskoefficienten för den aktuella vätskan med den volymetriska expansionsformeln:

Genom att använda de uppgifter som tillhandahålls av uttalandet på den föregående formeln gör vi följande beräkning:

2) En glaskolv vars volymetriska expansionskoefficient är 27.10^-6 ° C^-1, har en termisk kapacitet på 1000 ml, vid en temperatur av 20 ºC och är helt fylld med en okänd vätska. När vi värmer upp apparaten till 120 ° C rinner 50 ml vätska ut ur behållaren. Bestäm de skenbara expansionskoefficienterna; vätskans faktiska expansionskoefficient; och utvidgningen av glasflaskan.

Upplösning:

Låt oss beräkna den uppenbara expansionskoefficienten, för det använder vi följande formel:

Med hjälp av träningsdata kommer vi att göra följande beräkning:

Därefter beräknar vi vätskans faktiska expansionskoefficient. För att göra det måste vi beräkna vilken utvidgning glasflaskan drabbade:

När vi ersätter uppgifterna från träningsuttalandet måste vi lösa följande beräkning:

Med beräkningen ovan bestämde vi oss för vilken expansion glasflaskan led. Således, för att hitta den verkliga expansionen av vätskan, lägg bara till volymen för den uppenbara utvidgningen till volymen för kolvens utvidgning:

Resultatet som erhållits i svaret ovan indikerar att vätskan inuti injektionsflaskan genomgick en verklig expansion på 52,7 ml. Slutligen, låt oss beräkna vätskans verkliga expansionskoefficient: