Dilatarea termică: Coeficient, tipuri și exerciții
Expansiunea termică este creșterea sau variația diferitelor dimensiuni metrice (cum ar fi lungimea sau volumul) suferite de un corp sau de un obiect fizic. Acest proces se întâmplă din cauza creșterii temperaturii din jurul materialului. În cazul dilatării liniare, aceste modificări apar într-o singură dimensiune.
Coeficientul acestei dilatații poate fi măsurat prin compararea valorii cantității înainte și după proces. Unele materiale suferă opusul expansiunii termice; adică devine "negativ". Acest concept propune ca unele materiale să se contracte atunci când sunt expuse la anumite temperaturi.
În ceea ce privește substanțele solide, este utilizat un coeficient de dilatare liniară pentru a descrie expansiunea sa. Pe de altă parte, este utilizat un coeficient de expansiune volumetric pentru ca lichidele să efectueze calculele.
În cazul solidelor cristalizate, dacă este izometric, dilatarea va fi generală în toate dimensiunile cristalului. Dacă nu este izometric, se pot găsi diferiți coeficienți de expansiune de-a lungul cristalului și se va schimba dimensiunea acestuia la schimbarea temperaturii.
Coeficient de expansiune termică
Coeficientul de dilatare termică (Y) este definit ca fiind raza de schimbare prin care a trecut un material datorită modificării temperaturii acestuia. Acest coeficient este reprezentat de simbolul α pentru solide și β pentru lichide și este ghidat de Sistemul Internațional de Unități.
Coeficienții de expansiune termică variază atunci când vine vorba de solid, lichid sau gaz. Fiecare are o particularitate diferită.
De exemplu, dilatarea unui solid poate fi văzută de-a lungul unei lungimi. Coeficientul volumetric este unul dintre cele mai de bază în ceea ce privește fluidele și schimbările sunt remarcabile în toate direcțiile; Acest coeficient este de asemenea utilizat la calculul expansiunii unui gaz.
Expansiune termică negativă
Expansiunea termică negativă apare în unele materiale care, în loc să mărească dimensiunea lor la temperaturi ridicate, se contractă datorită temperaturilor scăzute.
Acest tip de expansiune termică se găsește de obicei în sisteme deschise în care se observă interacțiuni direcționale - ca în cazul gheții - sau în compuși complexi - cu unele zeoliți, Cu2O, printre altele.
De asemenea, unele investigații au arătat că expansiunea termică negativă apare și în laturile cu un singur component în formă compactă și cu o interacțiune centrală a forței.
Un exemplu clar de expansiune termică negativă poate fi observat atunci când se adaugă gheață într-un pahar de apă. În acest caz, temperatura ridicată a lichidului pe gheață nu determină o creștere a dimensiunilor, ci dimpotrivă diminuează dimensiunea acestuia.
tip
Atunci când se calculează dilatarea unui obiect fizic, trebuie să se țină seama de faptul că, în funcție de schimbarea temperaturii, obiectul menționat poate crește sau reduce dimensiunea acestuia.
Unele obiecte nu necesită o schimbare drastică a temperaturii pentru a modifica dimensiunea acestora, deci este probabil că valoarea aruncată de calcule este medie.
Ca toate procesele, expansiunea termică este împărțită în mai multe tipuri care explică fiecare fenomen separat. În cazul solidelor, tipurile de dilatare termică sunt dilatarea liniară, dilatarea volumetrică și dilatarea suprafeței.
Dilatarea liniară
În dilatarea liniară, predomină o singură variație. În acest caz, singura unitate care suferă o modificare este înălțimea sau lățimea obiectului.
O modalitate ușoară de a calcula acest tip de extindere este compararea valorii cantității înainte de schimbarea temperaturii cu valoarea cantității după schimbarea temperaturii.
Dilatarea volumetrică
În cazul dilatării volumetrice, modul de calcul al acesteia este comparând volumul fluidului înainte de schimbarea temperaturii cu volumul fluidului după schimbarea temperaturii. Formula de calcul al acesteia este:
Dilatarea suprafeței sau zonei
În cazul dilatării superficiale, se observă o creștere a suprafeței unui corp sau a unui obiect atunci când există o schimbare a temperaturii sale la 1 ° C.
Această dilatare funcționează pentru substanțele solide. Dacă aveți și coeficientul linear, puteți vedea că dimensiunea obiectului va fi de două ori mai mare. Formula de calcul al acesteia este:
A f = A 0 [1 + YA (T f - T 0 )]
În această expresie:
γ = coeficient de dilatare a suprafeței [° C-1]
A 0 = Zona inițială
A f = Zona finală
T 0 = Temperatura inițială.
T f = Temperatura finală
Diferența dintre dilatarea zonei și dilatarea liniară este aceea că în prima se înregistrează o schimbare a creșterii în zona obiectului, iar în al doilea rând schimbarea este de o singură măsură a unității (deoarece poate fi lungimea sau lățimea obiectului fizic).
Exemple
Primul exercițiu (dilatare liniară)
Șinele care alcătuiesc calea unui tren construit din oțel au o lungime de 1500 m. Care va fi lungimea în momentul în care temperatura trece de la 24 la 45 ° C?
soluție
date:
L0 (lungimea inițială) = 1500 m
L f (lungime finală) =?
La (temperatura inițială) = 24 ° C
T f (temperatura finală) = 45 ° C
α (coeficientul de dilatare liniar corespunzător oțelului) = 11 x 10-6 ° C-1
Datele se înlocuiesc în următoarea formulă:
Cu toate acestea, mai întâi trebuie să cunoaștem valoarea diferenței de temperatură, pentru a include aceste date în ecuație. Pentru a atinge acest diferențial, scădea temperatura cea mai ridicată de la cel mai mic.
Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C
Odată ce aceste informații sunt cunoscute, este posibilă utilizarea formulei anterioare:
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
Al doilea exercițiu (dilatarea superficială)
Într-o liceu, vânzarea de sticlă are o suprafață de 1, 4 m ^ 2, dacă temperatura este la 21 ° C. Care va fi zona dvs. finală atunci când temperatura crește la 35 ° C?
soluție
Af = A0 [1 + (Tf-T0)]
Af = 1, 4 m2 [1] 204, 4 x 10-6]
Af = 1, 4 m2. 1.0002044
Af = 1, 40028616 m2
De ce se întâmplă dilatarea?
Toată lumea știe că tot materialul este compus din diferite particule subatomice. Prin modificarea temperaturii, crescând sau scăzând, acești atomi încep un proces de mișcare care poate schimba forma obiectului.
Când crește temperatura, moleculele încep să se miște rapid datorită creșterii energiei cinetice și, prin urmare, forma sau volumul obiectului va crește.
În cazul temperaturilor negative se întâmplă contrariul, în acest caz volumul obiectului este, de obicei, contractat de temperaturi scăzute.
