Thermische Dilatation, Koeffizient, Typen und Übungen

Die thermische Ausdehnung ist die Zunahme oder Variation verschiedener metrischer Dimensionen (wie Länge oder Volumen), die ein Körper oder ein physisches Objekt erleidet. Dieser Prozess geschieht aufgrund der Erhöhung der Temperatur um das Material herum. Im Falle der linearen Dilatation treten diese Änderungen in einer einzigen Dimension auf.

Der Koeffizient dieser Dilatation kann gemessen werden, indem der Wert der Menge vor und nach dem Prozess verglichen wird. Einige Materialien leiden im Gegensatz zur thermischen Ausdehnung; das heißt, es wird "negativ". Dieses Konzept schlägt vor, dass sich einige Materialien zusammenziehen, wenn sie bestimmten Temperaturen ausgesetzt werden.

Was Feststoffe betrifft, wird ein linearer Expansionskoeffizient verwendet, um seine Ausdehnung zu beschreiben. Auf der anderen Seite wird ein volumetrischer Ausdehnungskoeffizient für die Flüssigkeiten verwendet, um die Berechnungen durchzuführen.

Im Fall von kristallisierten Festkörpern ist die Ausdehnung, wenn sie isometrisch ist, in allen Dimensionen des Kristalls allgemein. Wenn es nicht isometrisch ist, können unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten entlang des Kristalls gefunden werden, und es wird seine Größe ändern, wenn sich die Temperatur ändert.

Index

• 1 Wärmeausdehnungskoeffizient
• 2 Negative Wärmeausdehnung
• 3 Arten
  • 3.1 Lineare Ausdehnung
  • 3.2 Volumetrische Dilatation
  • 3.3 Oberflächen- oder Flächenerweiterung
• 4 Beispiele
  • 4.1 Erste Übung (lineare Dilatation)
  • 4.2 Zweite Übung (oberflächliche Dilatation)
• 5 Warum tritt Dilatation auf?
• 6 Referenzen

Wärmeausdehnungskoeffizient

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (Y) ist definiert als der Änderungsradius, den ein Material aufgrund der Änderung seiner Temperatur durchlaufen hat. Dieser Koeffizient wird durch das Symbol α für Feststoffe und β für Flüssigkeiten dargestellt und wird vom Internationalen Einheitensystem bestimmt.

Die Wärmeausdehnungskoeffizienten variieren, wenn sie fest, flüssig oder gasförmig sind. Jeder hat eine andere Besonderheit.

Zum Beispiel kann die Ausdehnung eines Festkörpers entlang einer Länge gesehen werden. Der volumetrische Koeffizient ist einer der grundlegendsten, was die Fluide betrifft, und die Veränderungen sind in allen Richtungen bemerkenswert; Dieser Koeffizient wird auch bei der Berechnung der Ausdehnung eines Gases verwendet.

Negative thermische Ausdehnung

Die negative Wärmeausdehnung tritt bei einigen Materialien auf, die sich, statt bei hohen Temperaturen ihre Größe zu vergrößern, aufgrund niedriger Temperaturen zusammenziehen.

Diese Art von thermischer Ausdehnung wird normalerweise in offenen Systemen beobachtet, in denen gerichtete Wechselwirkungen beobachtet werden - wie im Fall von Eis - oder in komplexen Verbindungen - wie es bei einigen Zeolithen, u. A. Cu2O, der Fall ist.

Ebenso haben einige Untersuchungen gezeigt, dass auch in Einkomponentengittern eine negative thermische Ausdehnung in kompakter Form und mit einer zentralen Kraftwechselwirkung auftritt.

Ein deutliches Beispiel für eine negative thermische Ausdehnung ist bei der Zugabe von Eis zu einem Glas Wasser zu sehen. In diesem Fall verursacht die hohe Temperatur der Flüssigkeit auf dem Eis keine Zunahme der Größe, sondern verringert vielmehr deren Größe.

Typen

Bei der Berechnung der Dilatation eines physikalischen Objekts ist zu berücksichtigen, dass dieses Objekt abhängig von der Temperaturänderung seine Größe vergrößern oder verkleinern kann.

Einige Objekte erfordern keine drastische Temperaturänderung, um ihre Größe zu ändern, daher ist es wahrscheinlich, dass der Wert, der von den Berechnungen geworfen wird, durchschnittlich ist.

Wie bei allen Prozessen ist die thermische Ausdehnung in verschiedene Typen unterteilt, die jedes Phänomen einzeln erklären. Im Falle von Feststoffen sind die Arten der thermischen Ausdehnung lineare Dilatation, volumetrische Dilatation und Oberflächenerweiterung.

Lineare Dilatation

Bei der linearen Dilatation überwiegt eine einzelne Variation. In diesem Fall ist die einzige Einheit, die eine Änderung erfährt, die Höhe oder Breite des Objekts.

Eine einfache Art, diese Art von Expansion zu berechnen, besteht darin, den Wert der Größe vor der Temperaturänderung mit dem Wert der Größe nach der Temperaturänderung zu vergleichen.

Volumetrische Dilatation

Im Fall der volumetrischen Dilatation ist die Art und Weise, dies zu berechnen, durch Vergleichen des Volumens der Flüssigkeit vor der Temperaturänderung mit dem Volumen der Flüssigkeit nach der Temperaturänderung. Die Formel, um es zu berechnen, ist:

Oberflächen- oder Flächendilatation

Im Fall der oberflächlichen Dilatation wird die Zunahme der Fläche eines Körpers oder Objekts beobachtet, wenn sich seine Temperatur um 1 ° C ändert.

Diese Erweiterung funktioniert für Volumenkörper. Wenn Sie auch den linearen Koeffizienten haben, können Sie sehen, dass die Größe des Objekts doppelt so groß ist. Die Formel, um es zu berechnen, ist:

A_f = A₀ [1 + JA (T_f - T₀)]

In diesem Ausdruck:

γ = Flächenausdehnungskoeffizient [° C^-1]

A₀ = Anfangsbereich

A_f = Endbereich

T₀ = Anfangstemperatur.

T_f = Endtemperatur

Der Unterschied zwischen Flächendilatation und linearer Dilatation besteht darin, dass in der ersten eine Änderung der Vergrößerung der Fläche des Objekts auftritt und in der zweiten die Änderung einer einzelnen Einheitsmessung ist (wie es die Länge oder die Ausdehnung sein kann) Breite des physikalischen Objekts).

Beispiele

Erste Übung (lineare Dilatation)

Die Schienen, aus denen ein Stahlgleis besteht, haben eine Länge von 1500 m. Wie lange dauert die Temperatur von 24 auf 45 ° C?

Lösung

Daten:

L0 (Anfangslänge) = 1500 m

L_f (endgültige Länge) =?

Zu (Anfangstemperatur) = 24 ° C

T_f (Endtemperatur) = 45 ° C

α (linearer Ausdehnungskoeffizient entsprechend Stahl) = 11 x 10^-6 ° C^-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, müssen die höchste und die niedrigste Temperatur subtrahiert werden.

Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C

Sobald diese Information bekannt ist, ist es möglich, die vorherige Formel zu verwenden:

Lf = 1500 m (1 + 21 ° C, 11 x 10 & sup5;^-6 ° C^-1)

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

Lf = 1500 m (1.000231)

Lf = 1500,3465 m

Zweite Übung (oberflächliche Dilatation)

In einer High School hat ein Glasverkauf eine Fläche von 1,4 m ^ 2, wenn die Temperatur 21 ° C beträgt. Was wird Ihr letzter Bereich sein, wenn die Temperatur auf 35 ° C ansteigt?

Lösung

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

Warum passiert Dilatation?

Jeder weiß, dass alles Material aus verschiedenen subatomaren Teilchen besteht. Indem sie die Temperatur entweder erhöhen oder erniedrigen, beginnen diese Atome einen Bewegungsprozess, der die Form des Objekts verändern kann.

Wenn die Temperatur ansteigt, beginnen sich die Moleküle aufgrund der Zunahme der kinetischen Energie schnell zu bewegen, und daher wird die Form oder das Volumen des Objekts zunehmen.

Bei negativen Temperaturen tritt das Gegenteil ein, in diesem Fall wird das Volumen des Objekts normalerweise durch niedrige Temperaturen kontrahiert.

Referenzen

1. Lineare, oberflächliche und volumetrische Dilatation - Übungen. Gelöst Entdeckt am 8. Mai 2018 von Fisimat: fisimat.com.mx
2. Oberflächliche Dilatation - Gelöste Übungen. Abgerufen am 8. Mai 2018 von Fisimat: fisimat.com.mx
3. Thermische Expansion. Abgerufen am 8. Mai 2018 von Encyclopædia Britannica: britannica.com
4. Thermische Expansion. Abgerufen am 8. Mai 2018 von Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Thermische Expansion. Abgerufen am 8. Mai 2018 von Lumen Learning: courses.lumenlearning.com
6. Thermische Expansion. Abgerufen am 8. Mai 2018 von The Physics Hypertextbook: physics.info
7. Thermische Expansion. Abgerufen am 8. Mai 2018, Wikipedia: en.wikipedia.org.