THERMISCHE DILATATIE: COËFFICIËNT, TYPEN EN OEFENINGEN - FYSIEK - 2026

De thermische uitzetting wordt vergroot of variatie van verschillende metrische afmetingen (zoals lengte of volume) die een fysiek object of lichaam ondergaat. Dit proces vindt plaats door de temperatuurstijging rondom het materiaal. In het geval van lineaire dilatatie treden deze veranderingen op in slechts één dimensie.

De coëfficiënt van deze expansie kan worden gemeten door de waarde van de magnitude voor en na het proces te vergelijken. Sommige materialen ondergaan het tegenovergestelde van thermische uitzetting; dat wil zeggen, het wordt "negatief". Dit concept stelt voor dat sommige materialen samentrekken wanneer ze aan bepaalde temperaturen worden blootgesteld.

Thermische uitzetting in water

Voor vaste stoffen wordt een lineaire uitzettingscoëfficiënt gebruikt om hun uitzetting te beschrijven. Aan de andere kant wordt voor vloeistoffen een volumetrische uitzettingscoëfficiënt gebruikt om de berekeningen uit te voeren.

In het geval van gekristalliseerde vaste stoffen, als deze isometrisch is, zal de expansie algemeen zijn in alle dimensies van het kristal. Als het niet isometrisch is, zijn er verschillende uitzettingscoëfficiënten in het glas te vinden, en het verandert van grootte wanneer de temperatuur verandert.

Thermische dilatatiecoëfficiënt

De thermische uitzettingscoëfficiënt (Y) wordt gedefinieerd als de veranderingsstraal waardoor een materiaal passeerde als gevolg van de verandering in de temperatuur. Deze coëfficiënt wordt weergegeven door het symbool α voor vaste stoffen en β voor vloeistoffen, en wordt geleid door het internationale systeem van eenheden.

De thermische uitzettingscoëfficiënten variëren als het gaat om vast, vloeibaar of gas. Elk heeft een andere eigenaardigheid.

De verwijding van een vaste stof is bijvoorbeeld over een lengte te zien. De volumetrische coëfficiënt is een van de meest basale in termen van vloeistoffen, en de veranderingen zijn in alle richtingen merkbaar; Deze coëfficiënt wordt ook gebruikt bij het berekenen van de uitzetting van een gas.

Negatieve thermische uitzetting

Negatieve thermische uitzetting treedt op in sommige materialen die, in plaats van in omvang toe te nemen bij hoge temperaturen, krimpen als gevolg van lage temperaturen.

Dit type thermische uitzetting wordt meestal gezien in open systemen waar directionele interacties worden waargenomen -zoals in het geval van ijs- of in complexe verbindingen -zoals gebeurt met sommige zeolieten, onder andere Cu2O.

Evenzo heeft enig onderzoek aangetoond dat negatieve thermische uitzetting ook optreedt in eencomponentroosters in compacte vorm en met een centrale krachtinteractie.

Een duidelijk voorbeeld van negatieve thermische uitzetting is te zien wanneer we ijs aan een glas water toevoegen. In dit geval veroorzaakt de hoge temperatuur van de vloeistof op het ijs geen toename in grootte, maar wordt de grootte van het ijs verkleind.

Soorten

Bij het berekenen van de uitzetting van een fysiek object moet er rekening mee worden gehouden dat, afhankelijk van de verandering in temperatuur, het object in grootte kan toenemen of krimpen.

Sommige objecten hebben geen drastische temperatuurverandering nodig om hun grootte te veranderen, dus het is waarschijnlijk dat de waarde die door de berekeningen wordt geretourneerd, gemiddeld is.

Zoals elk proces is thermische uitzetting onderverdeeld in verschillende typen die elk fenomeen afzonderlijk verklaren. In het geval van vaste stoffen zijn de soorten thermische uitzetting lineaire uitzetting, volumetrische uitzetting en oppervlakte-uitzetting.

Lineaire verwijding

Een enkele variatie overheerst bij lineaire dilatatie. In dit geval is de enige eenheid die een verandering ondergaat de hoogte of breedte van het object.

Een gemakkelijke manier om dit type dilatatie te berekenen, is door de waarde van de magnitude vóór de temperatuurverandering te vergelijken met de waarde van de magnitude na de temperatuurverandering.

Volumetrische verwijding

In het geval van volumetrische uitzetting, is de manier om dit te berekenen door het volume van de vloeistof vóór de temperatuurverandering te vergelijken met het volume van de vloeistof na de temperatuurverandering. De formule om het te berekenen is:

Uitzetting van het oppervlak of het gebied

In het geval van oppervlaktedilatatie wordt een toename van het oppervlak van een lichaam of object waargenomen als gevolg van een verandering in de temperatuur bij 1 ° C.

Deze uitbreiding werkt voor vaste stoffen. Als we ook de lineaire coëfficiënt hebben, kunnen we zien dat de grootte van het object 2 keer groter zal zijn. De formule om het te berekenen is:

EEN _f = EEN ₀

In deze uitdrukking:

γ = coëfficiënt van gebiedsuitbreiding

A ₀ = Initieel gebied

A _f = Final gebied

T ₀ = Begintemperatuur.

T _f = eindtemperatuur

Het verschil tussen oppervlaktedilatatie en lineaire dilatatie is dat je in de eerste een grotere verandering in het gebied van het object ziet, en in de tweede is de verandering een enkele maateenheid (zoals de lengte of de breedte van het fysieke object).

Voorbeelden

Eerste oefening (lineaire dilatatie)

De rails waaruit het spoor van een stalen trein bestaat, hebben een lengte van 1500 m. Wat wordt de lengtegraad als de temperatuur van 24 naar 45 ° C gaat?

Oplossing

Gegevens:

Lο (initiële lengte) = 1500 m

L _f (uiteindelijke lengte) =?

Tο (begintemperatuur) = 24 ° C

T _f (eindtemperatuur) = 45 ° C

α (lineaire uitzettingscoëfficiënt overeenkomend met staal) = 11 x ^10-6 ° C ^-1

De gegevens worden vervangen in de volgende formule:

U moet echter eerst de waarde van het temperatuurverschil kennen om deze gegevens in de vergelijking op te nemen. Om dit verschil te bereiken, moet de hoogste temperatuur worden afgetrokken van de laagste.

Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C

Zodra deze informatie bekend is, is het mogelijk om de vorige formule te gebruiken:

Lf = 1500 m (1 + 21 ° C. 11 x ^10-6 ° C ^-1 )

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

Lf = 1500 m (1.000231)

Lf = 1500,3465 m

Tweede oefening (oppervlakkige verwijding)

Op een middelbare school heeft een glaswinkel een oppervlakte van 1,4 m ^ 2, als de temperatuur 21 ° C is. Wat wordt het uiteindelijke oppervlak als de temperatuur stijgt tot 35 ° C?

Oplossing

Af = A0

Af = 1,4 m ² 204,4 x 10 ^-6 ]

Af = 1,4 m ² . 1,0002044

Af = 1.40028616 m ²

Waarom vindt dilatatie plaats?

Iedereen weet dat al het materiaal uit verschillende subatomaire deeltjes bestaat. Door de temperatuur te veranderen, deze te verhogen of te verlagen, beginnen deze atomen een bewegingsproces dat de vorm van het object kan veranderen.

Wanneer de temperatuur wordt verhoogd, beginnen de moleculen snel te bewegen vanwege de toename van kinetische energie, en dus zal de vorm of het volume van het object toenemen.

Bij negatieve temperaturen gebeurt het tegenovergestelde, in dit geval neigt het volume van het object te krimpen als gevolg van lage temperaturen.

Referenties

1. Lineaire, oppervlakkige en volumetrische dilatatie - oefeningen. Opgelost Hersteld op 8 mei 2018, van Fisimat: fisimat.com.mx
2. Oppervlakkige dilatatie - opgeloste oefeningen. Opgehaald op 8 mei 2018, van Fisimat: fisimat.com.mx
3. Thermische uitzetting. Opgehaald op 8 mei 2018, van Encyclopædia Britannica: britannica.com
4. Thermische uitzetting. Opgehaald op 8 mei 2018, van Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Thermische uitzetting. Opgehaald op 8 mei 2018, van Lumen Learning: courses.lumenlearning.com
6. Thermische uitzetting. Opgehaald op 8 mei 2018, uit The Physics Hypertextbook: physics.info
7. Thermische uitzetting. Opgehaald op 8 mei 2018, van Wikipedia: en.wikipedia.org.