WAT IS VOLUMETRISCHE DILATATIE? (MET VOORBEELDEN) - FYSIEK - 2025

De volumevergroting is een fysisch fenomeen waarbij de drie dimensies van een lichaam veranderen. Het volume of de afmetingen van de meeste stoffen nemen toe als ze aan hitte worden blootgesteld; 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 waar het gewenst is materialen te verbinden die anders uitzetten.

De vorm van sommige vaste stoffen wordt vervormd bij verhitting en kan in sommige richtingen uitzetten en in andere richtingen samentrekken. Wanneer er echter alleen dilatatie is in een bepaald aantal dimensies, is er een classificatie voor dergelijke uitbreidingen:

• Lineaire dilatatie treedt op wanneer variatie in een bepaalde dimensie overheerst, zoals de lengte, breedte of hoogte van het lichaam.
• Oppervlaktedilatatie is er een waarbij variatie in twee van de drie dimensies overheerst.
• Ten slotte impliceert volumetrische dilatatie een variatie in de drie dimensies van een lichaam.

Basisconcepten met betrekking tot thermische uitzetting

Thermische energie

Materie bestaat uit atomen die continu in beweging zijn, hetzij bewegend of vibrerend. De kinetische (of bewegings) energie waarmee atomen bewegen, wordt thermische energie genoemd, hoe sneller ze bewegen, hoe meer thermische energie ze hebben.

Heet

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

De hoeveelheid overgedragen warmte-energie hangt af van de aard van het nabije lichaam en de omgeving die ze scheidt.

Temperatuur

Het concept van temperatuur is fundamenteel om de effecten van warmte te bestuderen, de temperatuur van een lichaam is de maatstaf voor zijn vermogen om warmte over te dragen aan andere lichamen.

Twee lichamen die met elkaar in contact staan ​​of gescheiden zijn door een geschikt medium (warmtegeleider) zullen dezelfde temperatuur hebben als er geen warmtestroom tussen zit. Evenzo zal een lichaam X een hogere temperatuur hebben dan een lichaam Y 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 temperatuurstijging impliceert een toename van de kinetische energie van de 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, snelle trillingen) scheidt de 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 een toenemende temperatuur zal de grootte van de vaste stof met een bepaalde fractie in elke dimensie vergroten.

Lineaire verwijding

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

DL = aLoDT

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

De lineaire uitzettingscoëfficiënt is hoger voor materialen die een grotere uitzetting ervaren voor elke graad Celsius dat hun temperatuur stijgt.

Oppervlakkige verwijding

Wanneer een vlak wordt genomen binnen een vast lichaam, zodat dit vlak het vlak is dat thermische uitzetting ondergaat (Figuur 2), wordt de verandering in oppervlakte ΔA gegeven door:

DA = 2aA0

waarbij ΔA de verandering in het beginoppervlak Ao is, ΔT de verandering in temperatuur en α de lineaire uitzettingscoëfficiënt.

Volumetrische verwijding

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

DV = bVoDT

waar β de volumetrische uitzettingscoëfficiënt is en ongeveer gelijk is aan 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, worden de waarden van de volumetrische uitzettingscoëfficiënten voor sommige materialen weergegeven.

Over het algemeen zetten stoffen uit bij temperatuurstijging, waarbij water de belangrijkste uitzondering op deze regel is. Water zet uit wanneer de temperatuur stijgt wanneer het hoger is dan 4ºC.

Het zet echter ook uit wanneer de temperatuur daalt in het bereik van 4 ° C tot 0 ° C. Dit effect kan worden waargenomen wanneer water in de koelkast wordt gedaan, het water zet uit als het vriest en het is moeilijk om het ijs uit de houder te verwijderen vanwege deze uitzetting.

Voorbeelden

Verschillen in volumetrische uitzetting kunnen bij een tankstation tot interessante effecten leiden. Een voorbeeld is benzine die in een tank druppelt die zojuist op een warme dag is gevuld.

De benzine koelt de stalen tank wanneer deze wordt gegoten, en zowel de benzine als de tank zetten uit met de temperatuur van de omringende lucht. Benzine zet echter veel sneller uit dan staal, waardoor het uit de tank lekt.

Het verschil in expansie tussen benzine en de tank die het bevat, kan problemen veroorzaken bij het aflezen van de brandstofpeilmeter. De hoeveelheid benzine (massa) die in een tank achterblijft als de meter leeg is, is in de zomer veel minder dan in de winter.

Benzine heeft in beide stations hetzelfde volume als het waarschuwingslampje gaat branden, maar doordat benzine in de zomer uitzet, heeft het een lagere massa.

Denk bijvoorbeeld aan een volledig stalen gastank, met een inhoud van 60L. Als de temperatuur van de tank en de benzine 15 ° C is, hoeveel benzine wordt er dan gemorst als ze een temperatuur van 35 ° C bereiken?

De tank en benzine zullen in volume toenemen als gevolg van de temperatuurstijging, maar de benzine zal meer toenemen dan de tank. Dus de gemorste benzine zal het verschil zijn in uw volumeveranderingen. De volumetrische uitbreidingsvergelijking kan vervolgens worden gebruikt om de 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, in plaats van waarden:

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

Bibliografie

1. Yen Ho Cho, Taylor R.Thermische expansie van vaste stoffen ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Material Science Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, deel 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A.Hewett Elementen van klassieke fysica Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Warmte en thermodynamica. Redactioneel Aguilar, 1979.