CO JE OBJEMOVÁ DILATACE? (S PŘÍKLADY) - FYZICKÝ - 2025

Expanzní objem je fyzikální jev, zahrnující změnu tří rozměrů těla. Objem nebo rozměry většiny látek se zvyšují, když jsou vystaveny teplu; Jde o jev známý jako tepelná roztažnost, existují však i látky, které se při zahřívání stahují.

I když změny objemu jsou pro tuhé látky relativně malé, mají velký technický význam, zejména v situacích, kdy je žádoucí spojovat materiály, které se různě rozšiřují.

Tvar některých pevných látek je při zahřívání zdeformovaný a v některých směrech se může rozšiřovat a v jiných se stahovat. Pokud však existuje dilatace v určitém počtu rozměrů, existuje klasifikace pro taková rozšíření:

• K lineární dilataci dochází, když převládají změny v určitém rozměru, jako je délka, šířka nebo výška těla.
• Povrchová dilatace je taková, kde převládají rozdíly ve dvou ze tří rozměrů.
• Konečně, objemová dilatace znamená změnu ve třech rozměrech těla.

Základní pojmy související s tepelnou roztažností

Termální energie

Hmota se skládá z atomů, které jsou v nepřetržitém pohybu, ať už se pohybují nebo vibrují. Kinetická (nebo pohybová) energie, se kterou se atomy pohybují, se nazývá tepelná energie, čím rychleji se pohybují, tím více mají tepelnou energii.

Horký

Teplo je tepelná energie přenášená mezi dvěma nebo více látkami nebo z jedné části látky na druhou v makroskopickém měřítku. To znamená, že horké tělo se může vzdát části své tepelné energie a ovlivnit tělo v jeho blízkosti.

Množství přenesené tepelné energie závisí na povaze blízkého těla a prostředí, které je odděluje.

Teplota

Koncept teploty je zásadní pro studium účinků tepla, teplota těla je měřítkem jeho schopnosti přenášet teplo na jiná těla.

Dvě těla ve vzájemném kontaktu nebo oddělená vhodným médiem (tepelným vodičem) budou mít stejnou teplotu, pokud mezi nimi nebude žádný tok tepla. Podobně bude těleso X mít vyšší teplotu než těleso Y, pokud bude teplo proudit z X do Y.

Jaké jsou základní vlastnosti tepelné roztažnosti?

Jasně to souvisí se změnou teploty, čím vyšší je teplota, tím větší je expanze. Závisí také na vnitřní struktuře materiálu, v teploměru je expanze rtuti mnohem větší než expanze skla, které ji obsahuje.

Co je základní příčinou tepelné roztažnosti?

Zvýšení teploty znamená zvýšení kinetické energie jednotlivých atomů v látce. V pevné látce, na rozdíl od plynu, atomy nebo molekuly jsou těsně spolu, ale jejich kinetická energie (ve formě malých, rychlých vibrací) odděluje atomy nebo molekuly od sebe navzájem.

Tato separace mezi sousedními atomy se zvětšuje a zvětšuje a vede ke zvýšení velikosti pevné látky.

Pro většinu látek za běžných podmínek neexistuje žádný preferovaný směr, ve kterém dochází k tepelné expanzi, a zvyšující se teplota zvýší velikost pevné látky o určitou frakci v každém rozměru.

Lineární dilatace

Nejjednodušším příkladem dilatace je expanze v jedné (lineární) dimenzi. Experimentálně se zjistilo, že změna délky AL látky je úměrná změně teploty ΔT a počáteční délky Lo (obrázek 1). Můžeme to reprezentovat následujícím způsobem:

DL = aLoDT

kde α je koeficient proporcionality nazývaný koeficient lineární expanze a je charakteristický pro každý materiál. Některé hodnoty tohoto koeficientu jsou uvedeny v tabulce A.

Koeficient lineární expanze je vyšší pro materiály, u kterých dochází k větší expanzi pro každý stupeň Celsia, když jejich teplota stoupá.

Povrchní dilatace

Když vezmeme rovinu v pevném tělese, takže tato rovina je rovinou, která prochází tepelnou roztažností (obrázek 2), je změna v oblasti ΔA dána:

DA = 2aA0

kde ΔA je změna v počáteční oblasti Ao, T je změna teploty a α je koeficient lineární expanze.

Objemová dilatace

Stejně jako v předchozích případech lze změnu objemu ΔV aproximovat pomocí vztahu (obrázek 3). Tato rovnice je obvykle psána takto:

DV = bVoDT

kde β je koeficient objemové expanze a je přibližně roven 3 ∝ τ∝ ßλ∝ 2, jsou uvedeny hodnoty koeficientů objemové expanze pro některé materiály.

Obecně se látky budou zvyšovat při zvýšení teploty, voda je nejdůležitější výjimkou z tohoto pravidla. Voda se rozšiřuje, když se teplota zvýší, když je vyšší než 4 ° C.

Rozšiřuje se však také při poklesu teploty v rozmezí 4 ° C až 0 ° C. Tento účinek lze pozorovat, když se voda vloží do ledničky, voda se roztahuje, když zamrzne a kvůli této expanzi je obtížné odstranit led z nádoby.

Příklady

Rozdíly v objemové expanzi mohou vést k zajímavým efektům na čerpací stanici. Příkladem je benzín kapající do nádrže, která byla právě naplněna v horkém dni.

Benzín ochlazuje ocelovou nádrž, když je nalita, a benzín i nádrž expandují s teplotou okolního vzduchu. Benzín se však rozpíná mnohem rychleji než ocel, což způsobuje, že vytéká z nádrže.

Rozdíl v expanzi mezi benzínem a nádrží, která jej obsahuje, může způsobit problémy při odečtu hladiny paliva. Množství benzínu (hmoty), které zbývá v nádrži, když je měřidlo prázdné, je v létě mnohem menší než v zimě.

Když se kontrolka rozsvítí, benzín má na obou stanicích stejný objem, ale protože se benzín během léta rozšiřuje, má nižší hmotnost.

Jako příklad lze uvést celoocelovou plynovou nádrž s kapacitou 60 litrů. Pokud je teplota nádrže a benzínu 15 ° C, kolik benzínu se rozlije, dokud nedosáhnou teploty 35 ° C?

Nádrž a benzín se budou zvyšovat se zvyšováním teploty, ale benzín se bude zvyšovat více než nádrž. Rozlitý benzín bude tedy rozdílem ve změně objemu. Objemová expanzní rovnice pak může být použita pro výpočet změn objemu:

Objem vylitý zvýšením teploty je pak:

Spojením těchto 3 rovnic do jedné máme:

Z tabulky 2 jsou získány hodnoty objemového expanzního koeficientu, nahrazující hodnoty:

Přestože je toto množství rozlitého benzínu relativně nevýznamné ve srovnání s 60 litrovou nádrží, je tento účinek překvapivý, protože benzín a ocel se velmi rychle rozšiřují.

Bibliografie

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Thermal Expansion of Solids ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Fyzika pevných látek: Úvod do principů materiálových věd Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, Svazek 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Prvky klasické fyziky Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Teplo a termodynamika. Editorial Aguilar, 1979.