Thermodilatation: Koeffizient, Typen und Übungen
Die Wärmeausdehnung ist die Zunahme oder Veränderung verschiedener metrischer Dimensionen (wie Länge oder Volumen), unter denen ein Körper oder ein physischer Gegenstand leidet. Dieser Vorgang geschieht aufgrund der Erhöhung der Umgebungstemperatur des Materials. Im Falle einer linearen Erweiterung treten diese Änderungen in einer einzigen Dimension auf.
Der Koeffizient dieser Ausdehnung kann gemessen werden, indem der Wert der Menge vor und nach dem Prozess verglichen wird. Einige Materialien haben das Gegenteil von Wärmeausdehnung. das heißt, es wird "negativ". Dieses Konzept schlägt vor, dass sich einige Materialien zusammenziehen, wenn sie bestimmten Temperaturen ausgesetzt werden.
Bei Festkörpern wird ein linearer Ausdehnungskoeffizient verwendet, um seine Ausdehnung zu beschreiben. Andererseits wird für die Flüssigkeiten ein Volumenausdehnungskoeffizient verwendet, um die Berechnungen durchzuführen.
Im Fall von kristallisierten Feststoffen ist die Ausdehnung, wenn sie isometrisch ist, in allen Dimensionen des Kristalls allgemein. Wenn es nicht isometrisch ist, können verschiedene Ausdehnungskoeffizienten entlang des Kristalls gefunden werden, und es ändert seine Größe, wenn die Temperatur geändert wird.
Wärmeausdehnungskoeffizient
Der Wärmeausdehnungskoeffizient (Y) ist definiert als der Änderungsradius, den ein Material aufgrund der Änderung seiner Temperatur durchläuft. Dieser Koeffizient wird durch das Symbol α für Feststoffe und β für Flüssigkeiten dargestellt und richtet sich nach dem Internationalen Einheitensystem.
Die Wärmeausdehnungskoeffizienten variieren in Bezug auf Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase. Jeder hat eine andere Besonderheit.
Beispielsweise kann die Ausdehnung eines Feststoffs entlang einer Länge gesehen werden. Der volumetrische Koeffizient ist einer der grundlegendsten in Bezug auf Flüssigkeiten, und die Änderungen sind in alle Richtungen bemerkenswert. Dieser Koeffizient wird auch bei der Berechnung der Ausdehnung eines Gases verwendet.
Negative Wärmeausdehnung
Die negative Wärmeausdehnung tritt bei einigen Materialien auf, die sich aufgrund niedriger Temperaturen zusammenziehen, anstatt ihre Größe bei hohen Temperaturen zu erhöhen.
Diese Art der Wärmeausdehnung tritt normalerweise in offenen Systemen auf, in denen Richtungswechselwirkungen beobachtet werden - wie im Fall von Eis - oder in komplexen Verbindungen - wie sie unter anderem bei einigen Zeolithen, Cu 2 O, auftreten.
Ebenso haben einige Untersuchungen gezeigt, dass auch in Einkomponentengittern in kompakter Form und mit zentraler Kraftwechselwirkung eine negative Wärmeausdehnung auftritt.
Ein deutliches Beispiel für eine negative Wärmeausdehnung ist die Zugabe von Eis zu einem Glas Wasser. In diesem Fall bewirkt die hohe Temperatur der Flüssigkeit auf dem Eis keine Größenvergrößerung, sondern eine Größenverringerung derselben.
Typen
Bei der Berechnung der Ausdehnung eines physischen Objekts muss berücksichtigt werden, dass dieses Objekt in Abhängigkeit von der Temperaturänderung größer oder kleiner werden kann.
Einige Objekte erfordern keine drastische Temperaturänderung, um ihre Größe zu ändern. Daher ist es wahrscheinlich, dass der von den Berechnungen geworfene Wert durchschnittlich ist.
Wie bei allen Prozessen wird die Wärmeausdehnung in verschiedene Typen unterteilt, die jedes Phänomen separat erklären. Bei Feststoffen sind die Arten der thermischen Ausdehnung die lineare Ausdehnung, die volumetrische Ausdehnung und die Oberflächendilatation.
Lineare Dilatation
Bei der linearen Dilatation überwiegt eine einzige Variation. In diesem Fall ist die einzige Einheit, die einer Änderung unterzogen wird, die Höhe oder Breite des Objekts.
Eine einfache Methode zur Berechnung dieser Art der Ausdehnung besteht darin, den Wert der Menge vor der Temperaturänderung mit dem Wert der Menge nach der Temperaturänderung zu vergleichen.
Volumetrische Dilatation
Bei der volumetrischen Dilatation erfolgt die Berechnung durch Vergleich des Flüssigkeitsvolumens vor der Temperaturänderung mit dem Flüssigkeitsvolumen nach der Temperaturänderung. Die Formel zur Berechnung lautet:
Oberflächen- oder Flächendilatation
Bei oberflächlicher Ausdehnung wird die Vergrößerung der Fläche eines Körpers oder Gegenstandes beobachtet, wenn sich seine Temperatur auf 1 ° C ändert.
Diese Erweiterung funktioniert für Feststoffe. Wenn Sie auch den linearen Koeffizienten haben, können Sie sehen, dass das Objekt doppelt so groß ist. Die Formel zur Berechnung lautet:
A f = A 0 [1 + YA (T f - T 0 )]
In diesem Ausdruck:
γ = Flächenausdehnungskoeffizient [° C-1]
A 0 = Anfangsfläche
A f = Endfläche
T 0 = Anfangstemperatur.
T f = Endtemperatur
Der Unterschied zwischen der Flächendilatation und der linearen Dilatation besteht darin, dass bei der ersten Änderung die Fläche des Objekts vergrößert wird, und bei der zweiten Änderung eine einzelne Maßeinheit (wie es die Länge oder die Länge sein kann) Breite des physischen Objekts).
Beispiele
Erste Übung (lineare Dilatation)
Die Schienen eines aus Stahl gebauten Zuges haben eine Länge von 1500 m. Wie lang wird es sein, wenn die Temperatur von 24 auf 45 ° C steigt?
Lösung
Daten:
L0 (Anfangslänge) = 1500 m
L f (Endlänge) =?
To (Anfangstemperatur) = 24 ° C
T f (Endtemperatur) = 45 ° C
α (linearer Ausdehnungskoeffizient entsprechend Stahl) = 11 · 10 & supmin; & sup6; ºC & supmin; ¹
Die Daten werden in der folgenden Formel ersetzt:
Zuerst müssen wir jedoch den Wert der Temperaturdifferenz kennen, um diese Daten in die Gleichung einzubeziehen. Um diese Differenz zu erreichen, subtrahieren Sie die höchste Temperatur von der niedrigsten.
Δt = 45ºC - 24ºC = 21ºC
Sobald diese Informationen bekannt sind, kann die vorherige Formel verwendet werden:
Lf = 1500 m (1 + 21ºC, 11 · 10 & supmin; & sup6 ;ºC & supmin; ¹)
Lf = 1500 m (1 + 2, 31 x 10 & supmin; & sup4;)
Lf = 1500 m (1, 000231)
Lf = 1500, 3465 m
Zweite Übung (oberflächliche Erweiterung)
In einer High School hat ein Glasverkauf eine Fläche von 1, 4 m ^ 2, wenn die Temperatur bei 21 ° C liegt. Was wird Ihre letzte Fläche sein, wenn die Temperatur auf 35 ° C steigt?
Lösung
Af = A0 [1 + (Tf - T0)]
Af = 1, 4 m² [1] 204, 4 x 10 & supmin; & sup6;]
Af = 1, 4 m 2. 1, 0002044
Af = 1.40028616 m²
Warum kommt es zu einer Dilatation?
Jeder weiß, dass alles Material aus verschiedenen subatomaren Partikeln besteht. Indem diese Atome die Temperatur erhöhen oder senken, beginnen sie einen Bewegungsprozess, der die Form des Objekts verändern kann.
Wenn die Temperatur steigt, beginnen sich die Moleküle aufgrund der Zunahme der kinetischen Energie schnell zu bewegen, und daher nimmt die Form oder das Volumen des Objekts zu.
Bei negativen Temperaturen ist das Gegenteil der Fall, in diesem Fall wird das Volumen des Objekts normalerweise durch niedrige Temperaturen zusammengezogen.
