การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นคืออะไร?

เมื่อร่างกายมีเพิ่มขึ้นใน อุณหภูมิ, โมเลกุลที่ประกอบขึ้นจะได้รับพลังงานและกระวนกระวายใจ, ทำให้ขนาดของวัตถุเพิ่มขึ้น. ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การขยายตัวทางความร้อน. ในทำนองเดียวกัน เมื่อร่างกายถูกทำให้เย็นลง พลังงานของมันก็ลดลงและเกิดการสั่นของโมเลกุลเช่นเดียวกัน ทำให้ขนาดของร่างกายลดลง ซึ่งเรียกว่า การหดตัว ความร้อน.

THE การขยายตัวทางความร้อน สามารถจำแนกได้สามวิธี: เชิงเส้น, ตื้น และ ปริมาตร.

การขยายความร้อนเชิงเส้น

เมื่อ ความแปรผันของอุณหภูมิ ของร่างกายเพื่อเปลี่ยนระยะห่างระหว่างจุดสองจุด การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นซึ่งสามารถแปรผันตามความยาวของแท่ง รัศมีของทรงกลม เส้นทแยงมุมของลูกบาศก์หรือสี่เหลี่ยมจัตุรัส เป็นต้น

ตัวอย่างเช่น พิจารณาแท่งเหล็กยาว L₀ ด้วยอุณหภูมิเริ่มต้น T_ผม. โดยการเพิ่มอุณหภูมิของคุณเป็น T_ฉ , ความยาวจะเพิ่มขึ้นเป็น L. ดูที่รูปภาพ:

แผนภาพแสดงการขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นที่เกิดจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ

ความแปรผันของอุณหภูมิ (ΔT) คือความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิสุดท้ายและอุณหภูมิเริ่มต้น:

ΔT = T_ฉ - T_ผม

การขยายตัวเชิงความร้อนเชิงเส้น (ΔL) ที่เกิดจากความแปรผันของอุณหภูมินี้คือความแตกต่างระหว่างความยาวสุดท้าย L และความยาวเริ่มต้น L₀:

Δ L = L - L₀

การขยายตัวที่ได้รับผลกระทบจากแท่งนี้เป็นสัดส่วนกับความแปรผันของอุณหภูมิและความยาวเริ่มต้นของแท่ง จึงสามารถคำนวณได้ด้วย กฎการขยายความร้อนเชิงเส้น โดยสูตร:

Δ L = α หลี่₀. Δ T

ค่าคงที่ตามสัดส่วน α เรียกว่า ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้น ของวัสดุที่ทำขึ้นเป็นแท่ง หน่วยวัดของมันคือองศาเซลเซียสซึ่งกันและกันซึ่งแสดงโดยºC ^-1. ปริมาณนี้ใช้ค่าที่แตกต่างกันสำหรับวัสดุแต่ละประเภท ซึ่งแสดงถึงการขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นสำหรับความยาวแต่ละหน่วยและสำหรับแต่ละหน่วยของการแปรผันของอุณหภูมิ

อย่าเพิ่งหยุด... มีมากขึ้นหลังจากโฆษณา ;)

ดูตารางต่อไปนี้สำหรับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นของสารบางชนิด:

สาร	ค่าสัมประสิทธิ์ (10^-6°C ^-1)
ตะกั่ว	27
อลูมิเนียม	25
เงิน	20
ซิลิคอน	2,6
เหล็ก	14
ทอง	15

การแสดงกราฟิกของการขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้น

เราสามารถรับการขยายตัวเชิงความร้อนเชิงเส้นได้จากกราฟความยาวเทียบกับอุณหภูมิ:

กราฟความยาวกับอุณหภูมิของการขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้น 

เราสามารถเชื่อมโยงมุม φ กับกฎของการขยายตัวเชิงความร้อนเชิงเส้นได้ เนื่องจาก:

Δ L = α หลี่₀. Δ T

และ

Δหลี่ = α. หลี่₀
Δ T

เป็น สัมประสิทธิ์เชิงมุมเส้นตรง ซึ่งแสดงถึงความแปรผันของความยาวกับอุณหภูมิ ได้ดังนี้

tg φ = Δหลี่
Δ T

เร็ว ๆ นี้:

tg φ = α หลี่₀

เส้นไม่สามารถผ่านจุด 0 เนื่องจากความยาวเริ่มต้นไม่สามารถเท่ากับศูนย์ได้

ผลที่ตามมาของการขยายตัวเชิงความร้อนเชิงเส้นสามารถเห็นได้ในงานวิศวกรรม ตัวอย่างเช่น ข้อต่อการขยายตัว (ดังแสดงในชื่อ) ที่มีอยู่บนรางรถไฟหรือทางเท้า พวกเขาเป็นเพียงพื้นที่ว่างเล็ก ๆ ที่เหลืออยู่ในส่วนของการก่อสร้างสำหรับการขยายตัวที่เกิดจาก ความแปรผันของอุณหภูมิ เช่น ในกรณีของไฟหรือการเปลี่ยนแปลงตามธรรมชาติ ไม่ทำให้โครงสร้างของ .เสียหาย อาคาร หากไม่มีข้อต่อขยายเหล่านี้ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอาจทำให้คอนกรีตหรือฮาร์ดแวร์งอหรือแตกหักได้

โดย Mariane Mendes
จบฟิสิกส์

คุณต้องการอ้างอิงข้อความนี้ในโรงเรียนหรืองานวิชาการหรือไม่ ดู:

เตยเซร่า, มารีแอน เมนเดส. "การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นคืออะไร"; โรงเรียนบราซิล. มีจำหน่ายใน: https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-dilatacao-termica-linear.htm. เข้าถึงเมื่อ 28 มิถุนายน 2021.