Wat is volumetrische dilatatie? (Met voorbeelden)

Volumetrische dilatatie is een fysisch verschijnsel dat een variatie in de drie dimensies van een lichaam impliceert. Het volume of de afmetingen van de meeste stoffen nemen toe wanneer ze worden blootgesteld aan hitte; Dit is een fenomeen dat bekend staat als thermische uitzetting, maar er zijn ook stoffen die samentrekken bij verhitting.

Hoewel de volumeveranderingen relatief klein zijn voor vaste stoffen, zijn ze van groot technisch belang, vooral in situaties waarin het wenselijk is om materialen die zich op een andere manier uitbreiden toe te voegen..

De vorm van sommige vaste stoffen heeft vervorming als ze wordt verwarmd en kan in sommige richtingen uitzetten en bij andere inkrimpen. Wanneer er echter alleen dilatatie is in een bepaald aantal dimensies, is er een classificatie voor dergelijke uitbreidingen:

• Lineaire verwijding treedt op wanneer variatie in een bepaalde dimensie de boventoon voert, zoals de lengte, breedte of hoogte van het lichaam.
• De oppervlakkige verwijding is die waarbij de variatie in twee van de drie dimensies overheerst.
• Tot slot impliceert volumetrische dilatatie een variatie in de drie dimensies van een lichaam.

index

• 1 Basisbegrippen met betrekking tot thermische uitzetting
  • 1.1 Thermische energie
  • 1.2 Warmte
  • 1.3 Temperatuur
• 2 Wat zijn de basiseigenschappen van thermische uitzetting?
• 3 Wat is de fundamentele oorzaak van thermische uitzetting?
  • 3.1 Lineaire uitbreiding
  • 3.2 Oppervlaktedilatie
  • 3.3 Volumetrische dilatatie
• 4 voorbeelden
• 5 Bibliografie

Basisbegrippen met betrekking tot thermische uitzetting

Thermische energie

Materie bestaat uit atomen die continu in beweging zijn, of ze nu bewegen of trillen. De kinetische energie (of beweging) waarmee atomen bewegen, wordt thermische energie genoemd, hoe sneller ze bewegen, hoe meer thermische energie ze bezitten.

hitte

Warmte is de thermische energie die op macroscopische schaal wordt overgedragen tussen twee of meer stoffen of van de ene stof naar de andere. Dit betekent dat een heet lichaam een ​​deel van zijn thermische energie kan opgeven en een lichaam in de buurt daarvan kan beïnvloeden.

De hoeveelheid overgedragen thermische energie hangt af van de aard van het nabijgelegen lichaam en het medium dat hen scheidt.

temperatuur

Het begrip temperatuur is fundamenteel om de effecten van warmte te bestuderen, de temperatuur van een lichaam is de maat voor het vermogen om warmte over te brengen naar andere lichamen.

Twee lichamen in onderling contact of gescheiden door een geschikt medium (warmtegeleider) zullen dezelfde temperatuur hebben als er geen warmtestroom tussen hen is. Evenzo zal een lichaam X worden gevonden bij een temperatuur die groter is dan die van een lichaam en als de warmte van X naar Y stroomt.

Wat zijn de basiseigenschappen van thermische uitzetting?

Het is duidelijk gerelateerd aan een temperatuurverandering, hoe hoger de temperatuur, hoe groter de uitzetting. Het hangt ook af van de interne structuur van het materiaal, in een thermometer is de uitzetting van kwik veel groter dan de uitzetting van het glas dat het bevat.

Wat is de fundamentele oorzaak van thermische uitzetting?

Een toename van de temperatuur impliceert een toename van de kinetische energie van individuele atomen in een stof. In een vaste stof, in tegenstelling tot een gas, zijn de atomen of moleculen dicht bij elkaar, maar hun kinetische energie (in de vorm van kleine en snelle trillingen) scheidt atomen of moleculen van elkaar.

Deze scheiding tussen naburige atomen wordt steeds groter en resulteert in een toename van de grootte van de vaste stof.

Voor de meeste stoffen onder normale omstandigheden, is er geen voorkeursrichting waarin thermische uitzetting optreedt, en de toename in temperatuur zal de grootte van de vaste stof met een bepaalde fractie in elke dimensie vergroten.

Lineaire dilatatie

Het eenvoudigste voorbeeld van dilatatie is expansie in één dimensie (lineair). Experimenteel is gevonden dat de verandering in lengte ΔL van een stof evenredig is aan de verandering in temperatuur ΔT en de initiële lengte Lo (figuur 1). We kunnen dit op de volgende manier voorstellen:

DL = aLoDT

waarin α een evenredigheidscoëfficiënt is die lineaire-uitzettingscoëfficiënt wordt genoemd en die kenmerkend is voor elk materiaal. Sommige waarden van deze coëfficiënt zijn weergegeven in tabel A..

De lineaire uitzettingscoëfficiënt is groter voor materialen die een grotere uitzetting ervaren voor elke graad Celsius die zijn temperatuur stijgt.

Oppervlakte dilatatie

Wanneer een vlak in een vast lichaam wordt genomen, zodat dit vlak degene is die de thermische uitzetting ondergaat (figuur 2), wordt de verandering in het gebied ΔA gegeven door:

DA = 2aA0

waar AA de verandering is in het initiële gebied Ao, is changeT de verandering in temperatuur en α is de lineaire uitzettingscoëfficiënt.

Volumetrische dilatatie

Net als in de vorige gevallen, kan de verandering in het volume AV worden geschat met de relatie (figuur 3). Deze vergelijking wordt meestal als volgt geschreven:

DV = bVoDT

waarin β de volumetrische uitzettingscoëfficiënt is en ongeveer gelijk is aan 3α Λα τα ßλα 2, worden de waarden van de volumetrische coëfficiënten voor sommige materialen weergegeven.

Over het algemeen zullen stoffen onder een temperatuurstijging uitzetten, water is de belangrijkste uitzondering op deze regel. Water zet uit als de temperatuur stijgt als het hoger is dan 4ºC.

Het zet echter ook uit bij het verlagen van de temperatuur in het bereik van 4 ° C tot 0 ° C. Dit effect kan worden waargenomen wanneer water in een koelkast wordt geplaatst, het water uitzet bij bevriezing en het moeilijk is om het ijs uit zijn verpakking te halen door deze uitzetting.

Voorbeelden

Verschillen in volumetrische dilatatie kunnen leiden tot interessante effecten in een tankstation. Een voorbeeld is het druppelen van benzine in een tank die net is gevuld tijdens een warme dag.

Benzine koelt de stalen tank af als deze wordt gegoten en zowel benzine als tank expanderen met de temperatuur van de omringende lucht. Benzine verwijdt echter veel sneller dan staal en drupt daardoor uit de tank.

Het verschil in uitzetting tussen de benzine en de tank die deze bevat, kan problemen veroorzaken bij het aflezen van de brandstofniveau-indicator. De hoeveelheid benzine (massa) die in een tank achterblijft wanneer de indicator een vacuümniveau bereikt, is in de zomer veel lager dan in de winter.

Benzine heeft hetzelfde volume op beide stations wanneer het waarschuwingslampje gaat branden, maar omdat benzine in de zomer verwijdt, heeft het een lagere massa.

Als een voorbeeld kan het worden beschouwd als een volledig stalen benzinetank, met een capaciteit van 60L. Als de temperatuur van de tank en benzine 15ºC is, hoeveel gas zal er worden gemorst als ze een temperatuur van 35ºC bereiken?

De tank en benzine zullen toenemen in volume vanwege de temperatuurverhoging, maar benzine zal meer toenemen dan de tank. Dus, de gemorste benzine zal het verschil zijn tussen uw volumewijzigingen. De volumetrische expansievergelijking kan vervolgens worden gebruikt om volumeveranderingen te berekenen:

Het volume dat wordt gemorst door de temperatuurstijging is dan:

Door deze 3 vergelijkingen in één te combineren, hebben we:

Uit tabel 2 worden de waarden van de volumetrische uitzettingscoëfficiënt verkregen, waarbij waarden worden vervangen:

Hoewel deze hoeveelheid gemorst gas relatief onbeduidend is in vergelijking met een tank van 60 L, is het effect verrassend aangezien benzine en staal zeer snel uitzetten.

bibliografie

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Thermal Expansion of Solids ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Solid-State Physics: een inleiding tot principes van materiaalkunde Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, Volume 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elements of Classical Physics Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Heat and Thermodynamics. Editorial Aguilar, 1979.