TEPELNÁ DILATACE: KOEFICIENT, TYPY A CVIČENÍ - FYZICKÝ - 2025

Tepelná roztažnost se zvýší nebo variace různých metrických rozměrech (například délka nebo objem), který prochází fyzického objektu nebo těla. K tomuto procesu dochází v důsledku zvýšení teploty obklopující materiál. V případě lineární dilatace dochází k těmto změnám pouze v jedné dimenzi.

Koeficient této expanze lze měřit porovnáním hodnoty velikosti před a po procesu. Některé materiály trpí opakem tepelné roztažnosti; to znamená, že se stane „negativním“. Tento koncept navrhuje, aby se některé materiály při vystavení určitým teplotám smršťovaly.

Tepelná roztažnost ve vodě

U pevných látek se k popisu jejich expanze používá koeficient lineární expanze. Na druhou stranu pro kapaliny se k výpočtu používá objemový koeficient expanze.

V případě krystalizovaných pevných látek, pokud je to izometrické, bude expanze obecná ve všech rozměrech krystalu. Pokud to není izometrické, lze v celém skle najít různé koeficienty roztažnosti a při změně teploty se změní jeho velikost.

Tepelný dilatační koeficient

Koeficient tepelné roztažnosti (Y) je definován jako poloměr změny, kterým materiál prošel v důsledku změny teploty. Tento koeficient je reprezentován symbolem α pro pevné látky a β pro kapaliny a řídí se mezinárodním systémem jednotek.

Koeficienty tepelné roztažnosti se liší, pokud jde o pevné látky, kapaliny nebo plyny. Každý z nich má jinou zvláštnost.

Například dilataci tělesa lze vidět po celé délce. Objemový koeficient je jedním z nejzákladnějších z hlediska tekutin a změny jsou patrné ve všech směrech; Tento koeficient se také používá při výpočtu expanze plynu.

Negativní tepelná roztažnost

Negativní tepelná roztažnost nastává u některých materiálů, které se místo zvyšování velikosti při vysokých teplotách stahují kvůli nízkým teplotám.

Tento typ tepelné roztažnosti je obvykle pozorován v otevřených systémech, kde jsou pozorovány směrové interakce - jako v případě ledu - nebo ve složitých sloučeninách - jako mezi jinými některé zeolity, Cu2O.

Podobně, některý výzkum ukázal, že negativní tepelná roztažnost také nastává v jednozložkových mřížích v kompaktní formě a s interakcí centrální síly.

Jasný příklad negativní tepelné roztažnosti lze vidět, když do sklenice vody přidáme led. V tomto případě vysoká teplota kapaliny na ledu nezpůsobuje žádné zvětšení velikosti, ale spíše se sníží velikost ledu.

Typy

Při výpočtu expanze fyzického objektu je třeba vzít v úvahu, že v závislosti na změně teploty se uvedený objekt může zvětšit nebo zmenšit.

Některé objekty nevyžadují drastickou změnu teploty, aby se změnila jejich velikost, takže je pravděpodobné, že hodnota vrácená výpočty je průměrná.

Jako každý proces je tepelná roztažnost rozdělena do několika typů, které vysvětlují každý jev samostatně. V případě pevných látek jsou typy tepelné expanze lineární expanze, objemová expanze a povrchová expanze.

Lineární dilatace

V lineární dilataci převládá jediná variace. V tomto případě je jedinou jednotkou, která prochází změnou, výška a šířka objektu.

Snadný způsob výpočtu tohoto typu dilatace je porovnáním hodnoty velikosti před změnou teploty s hodnotou velikosti po změně teploty.

Objemová dilatace

V případě objemové expanze je způsob, jak ji vypočítat, porovnáním objemu tekutiny před změnou teploty s objemem tekutiny po změně teploty. Vzorec pro výpočet je:

Dilatace povrchu nebo plochy

V případě povrchové dilatace je pozorováno zvětšení plochy těla nebo předmětu v důsledku změny teploty o 1 ° C.

Toto rozšíření funguje pro pevné látky. Pokud máme také lineární koeficient, můžeme vidět, že velikost objektu bude 2krát větší. Vzorec pro výpočet je:

A _f = A ₀

V tomto výrazu:

γ = koeficient rozšíření plochy

A ₀ = Počáteční oblast

A _f = konečná oblast

T ₀ = Počáteční teplota.

T _f = konečná teplota

Rozdíl mezi dilatací plochy a lineární dilatací je v tom, že v první vidíte zvětšení změny v oblasti objektu a ve druhé je změna jedné jednotkové míry (jako je délka nebo šířka fyzického objektu).

Příklady

První cvičení (lineární dilatace)

Kolejnice, které tvoří železniční trať z oceli, mají délku 1500 m. Jaká bude zeměpisná délka, když teplota klesne z 24 na 45 ° C?

Řešení

Data:

Lο (počáteční délka) = 1500 m

L _f (konečná délka) =?

Tο (počáteční teplota) = 24 ° C

T _f (konečná teplota) = 45 ° C

a (koeficient lineární roztažnosti odpovídající oceli) = 11 x ^10-6 ° C ^-1

Data jsou nahrazena následujícím vzorcem:

Nejprve však musíte znát hodnotu teplotního rozdílu, abyste mohli tato data zahrnout do rovnice. K dosažení tohoto rozdílu musí být od nejnižší odečtena nejvyšší teplota.

A = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C

Jakmile je tato informace známa, je možné použít předchozí vzorec:

Lf = 1 500 m (1 + 21 ° C, 11 x ^10-6 ° C ^-1)

Lf = 1500 m (1 + 2,31 x ^10-4)

Lf = 1500 m (1 000 231)

Lf = 1500,3465 m

Druhé cvičení (povrchová dilatace)

Na střední škole má sklárna plochu 1,4 m2, pokud je teplota 21 ° C. Jaká bude její konečná plocha, když se teplota zvýší na 35 ° C?

Řešení

Af = A0

Af = 1,4 m ² 204,4 x ^10-6]

Af = 1,4 m ². 1 0002044

Af = 1.40028616 m ²

Proč dochází k dilataci?

Každý ví, že veškerý materiál je tvořen různými subatomickými částicemi. Změnou teploty, buď zvýšením nebo snížením, tyto atomy zahájí proces pohybu, který může změnit tvar objektu.

Když se teplota zvýší, molekuly se začnou rychle pohybovat kvůli nárůstu kinetické energie, a tak se zvětší tvar nebo objem objektu.

V případě negativních teplot se stane opak, v tomto případě má objem objektu tendenci se snižovat kvůli nízkým teplotám.

Reference

1. Lineární, povrchová a objemová dilatace - cvičení. Vyřešeno Obnoveno 8. května 2018, od Fisimat: fisimat.com.mx
2. Povrchní dilatace - řešená cvičení. Citováno z 8. května 2018, z Fisimat: fisimat.com.mx
3. Teplotní roztažnost. Citováno z 8. května 2018, z Encyclopædia Britannica: britannica.com
4. Teplotní roztažnost. Citováno z 8. května 2018, z Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Teplotní roztažnost. Citováno z 8. května 2018, z Lumen Learning: courses.lumenlearning.com
6. Teplotní roztažnost. Citováno z 8. května 2018, z The Physics Hypertextbook: physics.info
7. Teplotní roztažnost. Citováno z 8. května 2018, z Wikipedie: en.wikipedia.org.