Termal Dilatasyon: Katsayı, Çeşitleri ve Egzersizleri
Termal genleşme, bir vücut veya fiziksel nesnenin uğradığı çeşitli metrik boyutların (uzunluk veya hacim gibi) artması veya değişmesidir. Bu işlem, malzemeyi saran sıcaklığın artması nedeniyle gerçekleşir. Doğrusal genişleme durumunda, bu değişiklikler tek bir boyutta gerçekleşir.
Bu genişlemenin katsayısı işlemden önceki ve sonraki miktarın değeri karşılaştırılarak ölçülebilir. Bazı malzemeler ısıl genleşmenin tam tersidir; yani, "negatif" olur. Bu konsept, bazı malzemelerin belirli sıcaklıklara maruz kaldıklarında büzülmelerini önerir.
Katılara gelince, genleşmesini tanımlamak için doğrusal bir genleşme katsayısı kullanılır. Diğer taraftan, sıvıları hesaplamaları için hacimsel bir genleşme katsayısı kullanılır.
Kristalize katılar söz konusu olduğunda, eğer izometrik ise, dilatasyon kristalin tüm boyutlarında genel olacaktır. İzometrik değilse, kristal boyunca farklı genleşme katsayıları bulunabilir ve sıcaklık değiştirilirken boyutunu değiştirir.
Termal genleşme katsayısı
Termal genleşme katsayısı (Y), bir malzemenin sıcaklığındaki değişiklik nedeniyle geçtiği değişim yarıçapı olarak tanımlanır. Bu katsayı, katılar için α sembolü ve sıvılar için β sembolü ile gösterilir ve Uluslararası Birimler Sistemi tarafından yönlendirilir.
Isıl genleşme katsayıları katı, sıvı veya gaz söz konusu olduğunda değişir. Her birinin farklı bir özelliği vardır.
Örneğin, bir katının genişlemesi bir uzunluk boyunca görülebilir. Hacim katsayısı, akışkanlar söz konusu olduğunda en temellerden biridir ve değişiklikler her yönde dikkat çekicidir; Bu katsayı aynı zamanda bir gazın genleşmesini hesaplarken de kullanılır.
Negatif termal genleşme
Negatif termal genleşme, bazı malzemelerde, yüksek sıcaklıklarla boyutlarını artırmak yerine, düşük sıcaklık nedeniyle büzüşen bazı malzemelerde ortaya çıkar.
Bu ısıl genleşme türü, genellikle buz durumunda olduğu gibi yönsel etkileşimlerin gözlendiği açık sistemlerde veya bazı bileşiklerde Cu2O gibi bazı zeolitlerle olduğu gibi görülür.
Benzer şekilde, bazı araştırmalar negatif termal genleşmenin tek bileşenli kafeslerde kompakt biçimde ve merkezi bir kuvvet etkileşimi ile gerçekleştiğini göstermiştir.
Bir bardak suya buz eklerken net bir termal genleşmenin açık bir örneği görülebilir. Bu durumda, buzun üzerindeki sıvının yüksek sıcaklığı, boyutta herhangi bir artışa neden olmaz, aksine aynı olanın boyutunu azaltır.
tip
Fiziksel bir nesnenin genişlemesini hesaplarken, sıcaklık değişikliğine bağlı olarak, söz konusu nesnenin boyutunu küçültebileceği veya daraltabileceği dikkate alınmalıdır.
Bazı nesneler boyutlarını değiştirmek için sert bir sıcaklık değişikliği gerektirmez, bu nedenle hesaplamalar tarafından atılan değerin ortalama olması muhtemeldir.
Tüm işlemler gibi, termal genleşme de her bir olguyu ayrı ayrı açıklayan birkaç türe ayrılır. Katılar söz konusu olduğunda, termal genleşme türleri doğrusal genişleme, hacimsel genişleme ve yüzey genişlemesidir.
Doğrusal dilatasyon
Doğrusal genişlemede, tek bir varyasyon hakimdir. Bu durumda, değişime uğrayan tek birim nesnenin yüksekliği veya genişliğidir.
Bu tür bir genleşmeyi hesaplamanın kolay bir yolu, sıcaklıktaki değişiklikten önceki miktarın değerini sıcaklıktaki değişiklikten sonraki miktarın değeriyle karşılaştırmaktır.
Hacimsel genişleme
Hacimsel dilatasyon durumunda, bunu hesaplamanın yolu, sıcaklıktaki değişiklikten önce akışkanın hacminin sıcaklıktaki değişiklikten sonraki akışkanın hacmi ile karşılaştırılmasıdır. Hesaplamak için formül:
Yüzey veya alan dilatasyonu
Yüzeysel genişleme söz konusu olduğunda, vücut ısısı 1 ° C'ye düştüğünde, bir cisim veya nesne alanındaki artış gözlenir.
Bu genişleme katılar için işe yarar. Ayrıca doğrusal katsayısına sahipseniz, nesnenin boyutunun iki kat daha büyük olacağını görebilirsiniz. Hesaplamak için formül:
A f = A 0 [1 + YA ( Tf - T 0 )]
Bu ifadede:
γ = alan genleşme katsayısı [° C-1]
A 0 = İlk alan
A f = Son alan
T 0 = İlk sıcaklık.
T f = Son sıcaklık
Alan genişlemesi ve doğrusal genişleme arasındaki fark, ilkinde, nesne alanında bir artış değişikliği olduğu ve ikincisi de değişimin, tek bir birim ölçümünde olduğu (uzunluk veya fiziksel nesnenin genişliği).
Örnekler
İlk egzersiz (doğrusal genişleme)
Çelikten yapılmış bir trenin rayını oluşturan rayların uzunluğu 1500 m'dir. Sıcaklık 24 ° C'den 45 ° C'ye çıktığında uzunluk kaçtır?
çözüm
veriler:
L0 (başlangıç uzunluğu) = 1500 m
L f (son uzunluk) =?
Tο (başlangıç sıcaklığı) = 24 ° C
Tf (son sıcaklık) = 45 ° C
α (çeliğe karşılık gelen doğrusal genleşme katsayısı) = 11 x 10-6 ° C-1
Veriler aşağıdaki formülde değiştirilmiştir:
Bununla birlikte, öncelikle bu verileri denkleme dahil etmek için sıcaklık farkının değerini bilmeliyiz. Bu farkı elde etmek için en yüksek sıcaklığı en düşük değerden çıkarın.
=t = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C
Bu bilgi bilindiğinde, önceki formülü kullanmak mümkündür:
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
İkinci alıştırma (yüzeysel genişleme)
Bir lisede, bir cam satışı, sıcaklık 21 ° C ise, 1.4 m ^ 2 alana sahiptir. Sıcaklık 35 ° C'ye yükseldiğinde son alanınız ne olacak?
çözüm
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
Genişleme neden oluyor?
Herkes tüm malzemenin çeşitli atom altı parçacıklardan oluştuğunu bilir. Sıcaklığı yükselterek ya da düşürerek değiştirerek, bu atomlar nesnenin şeklini değiştirebilecek bir hareket sürecine başlar.
Sıcaklık yükseldiğinde, moleküller kinetik enerjinin artması nedeniyle hızla hareket etmeye başlar ve bu nedenle nesnenin şekli veya hacmi artacaktır.
Negatif sıcaklıklarda, bunun tersi olur, bu durumda nesnenin hacmi genellikle düşük sıcaklıklarla büzülür.
