ANO ANG VOLUMETRIC DILATION? (KASAMA ANG MGA HALIMBAWA) - PISIKAL - 2025

Ang pagpapalawak ng dami ay isang pisikal na kababalaghan na kinasasangkutan ng pagbabago sa tatlong sukat ng isang katawan. Ang dami o sukat ng karamihan sa mga sangkap ay tumataas kapag sila ay napapailalim sa init; Ito ay isang kababalaghan na kilala bilang thermal expansion, gayunpaman mayroon ding mga sangkap na kumontrata kapag pinainit.

Bagaman ang mga pagbabago sa dami ay medyo maliit para sa solids, ang mga ito ay may malaking kahalagahan sa teknikal, lalo na sa mga sitwasyon kung saan nais na sumali sa mga materyales na naiiba ang pagpapalawak.

Ang hugis ng ilang mga solido ay nagulong kapag pinainit at maaaring mapalawak sa ilang mga direksyon at kontrata sa iba. Gayunpaman, kapag may paglusaw lamang sa isang tiyak na bilang ng mga sukat, mayroong isang pag-uuri para sa gayong pagpapalawak:

• Ang linear dilation ay nangyayari kapag ang pagkakaiba-iba sa isang partikular na sukat ay namumuno, tulad ng haba, lapad, o taas ng katawan.
• Ang pagbabawal ng ibabaw ay isa kung saan ang pagkakaiba-iba sa dalawa sa tatlong sukat ay namumuno.
• Sa wakas, ang volumetric dilation ay nagpapahiwatig ng isang pagkakaiba-iba sa tatlong sukat ng isang katawan.

Ang mga pangunahing konsepto na may kaugnayan sa pagpapalawak ng thermal

Enerhiya ng thermal

Ang bagay ay binubuo ng mga atomo na nasa tuluy-tuloy na paggalaw, alinman sa paglipat o panginginig. Ang kinetic (o paggalaw) na enerhiya na kung saan gumagalaw ang mga atomo ay tinatawag na thermal energy, mas mabilis ang paglipat nito, mas maraming thermal energy ang mayroon sila.

Mainit

Ang init ay ang thermal energy na inilipat sa pagitan ng dalawa o higit pang mga sangkap o mula sa isang bahagi ng sangkap sa isa pa sa isang macroscopic scale. Nangangahulugan ito na ang isang mainit na katawan ay maaaring magbigay ng bahagi ng thermal energy at makakaapekto sa isang katawan na malapit dito.

Ang halaga ng init ng enerhiya na inilipat ay nakasalalay sa likas na katangian ng kalapit na katawan at sa kapaligiran na naghihiwalay sa kanila.

Temperatura

Ang konsepto ng temperatura ay pangunahing pag-aralan ang mga epekto ng init, ang temperatura ng isang katawan ay ang sukatan ng kakayahang ilipat ang init sa iba pang mga katawan.

Ang dalawang katawan na magkasama sa pakikipag-ugnay o pinaghiwalay ng isang naaangkop na daluyan (heat conductor) ay nasa parehong temperatura kung walang daloy ng init sa pagitan nila. Katulad nito, ang isang katawan X ay nasa mas mataas na temperatura kaysa sa isang katawan Y kung ang init ay dumadaloy mula X hanggang Y.

Ano ang mga pangunahing katangian ng pagpapalawak ng thermal?

Malinaw na nauugnay ito sa isang pagbabago sa temperatura, mas mataas ang temperatura, mas malaki ang pagpapalawak. Depende din ito sa panloob na istraktura ng materyal, sa isang thermometer, ang pagpapalawak ng mercury ay mas malaki kaysa sa pagpapalawak ng baso na naglalaman nito.

Ano ang pangunahing sanhi ng pagpapalawak ng thermal?

Ang isang pagtaas sa temperatura ay nagpapahiwatig ng isang pagtaas sa kinetic enerhiya ng mga indibidwal na atoms sa isang sangkap. Sa isang solid, hindi katulad ng isang gas, ang mga atoms o molekula ay magkakasamang magkasama, ngunit ang kanilang kinetic enerhiya (sa anyo ng maliit, mabilis na mga panginginig ng boses) ay naghihiwalay sa mga atom o molekula mula sa bawat isa.

Ang paghihiwalay na ito sa pagitan ng mga kalapit na mga atom ay nagiging mas malaki at mas malaki at nagreresulta sa isang pagtaas sa laki ng solid.

Para sa karamihan ng mga sangkap sa ilalim ng ordinaryong mga kondisyon, walang ginustong direksyon kung saan nangyayari ang thermal expansion, at ang pagtaas ng temperatura ay tataas ang laki ng solid sa pamamagitan ng isang tiyak na bahagi sa bawat sukat.

Linya ng pagluwang

Ang pinakasimpleng halimbawa ng pagluwang ay ang pagpapalawak sa isang (linear) na sukat. Naranasan na ito ay natagpuan na ang pagbabago sa haba ΔL ng isang sangkap ay proporsyonal sa pagbabago sa temperatura ΔT at ang paunang haba Lo (Larawan 1). Maaari naming kinatawan ito sa sumusunod na paraan:

DL = aLoDT

kung saan ang α ay isang koepisyent ng proporsyonalidad na tinatawag na koepisyent ng linear expansion at katangian ng bawat materyal. Ang ilang mga halaga ng koepisyent na ito ay ipinapakita sa talahanayan A.

Ang koepisyent ng linear expansion ay mas mataas para sa mga materyales na nakakaranas ng higit na pagpapalawak para sa bawat degree na Celsius na tumataas ang kanilang temperatura.

Mababaw na pagluwang

Kapag ang isang eroplano ay nakuha sa loob ng isang solidong katawan, upang ang eroplano na ito ay ang isa na sumasailalim sa pagpapalawak ng thermal (Larawan 2), ang pagbabago sa lugar na isA ay ibinibigay ng:

DA = 2aA0

kung saan ang ΔA ay ang pagbabago sa paunang lugar sa Ao, ang T ay ang pagbabago sa temperatura, at ang α ay ang koepisyent ng linear na pagpapalawak.

Pag-dilate ng volumetric

Tulad ng sa mga nakaraang kaso, ang pagbabago sa dami ng ΔV ay maaaring tinatayang may kaugnayan (Larawan 3). Ang equation na ito ay karaniwang nakasulat tulad ng sumusunod:

DV = bVoDT

kung saan β ang koepisyent ng pagpapalawak ng volumetric at tinatayang katumbas ng 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, ipinapakita ang mga halaga ng coefficients ng volumetric expansion para sa ilang mga materyales.

Sa pangkalahatan, ang mga sangkap ay lalawak sa ilalim ng pagtaas ng temperatura, ang tubig ang pinakamahalagang pagbubukod sa panuntunang ito. Lumalawak ang tubig kapag tumataas ang temperatura kapag mas malaki ito kaysa sa 4ºC.

Gayunpaman, lumalawak din ito kapag bumababa ang temperatura sa saklaw ng 4 ° C hanggang 0 ° C. Ang epekto na ito ay maaaring sundin kapag ang tubig ay inilalagay sa isang ref, ang tubig ay lumalawak kapag nag-freeze ito at mahirap alisin ang yelo sa lalagyan nito dahil sa paglawak na ito.

Mga halimbawa

Ang mga pagkakaiba sa pagpapalawak ng volumetric ay maaaring humantong sa mga kagiliw-giliw na epekto sa isang istasyon ng gas. Ang isang halimbawa ay ang gasolina na tumutulo sa isang tangke na napuno lamang sa isang mainit na araw.

Ang gasolina ay pinapalamig ang tangke ng asero kapag ibinuhos, at kapwa ang gasolina at ang tangke ay nagpapalawak sa temperatura ng nakapaligid na hangin. Gayunpaman, ang gasolina ay nagpapalawak ng mas mabilis kaysa sa bakal, na nagiging sanhi upang tumagas mula sa tangke.

Ang pagkakaiba sa pagpapalawak sa pagitan ng gasolina at tank na naglalaman nito ay maaaring maging sanhi ng mga problema kapag binabasa ang sukat ng antas ng gasolina. Ang halaga ng gasolina (masa) na natitira sa isang tangke kapag ang gauge ay umabot na walang laman sa tag-araw kaysa sa taglamig.

Ang gasolina ay may parehong dami sa parehong mga istasyon kapag dumating ang babala na ilaw, ngunit dahil ang gasolina ay lumalawak sa tag-araw, mas kaunti ang masa.

Bilang isang halimbawa, maaari mong isaalang-alang ang isang buong tangke ng gas na bakal, na may kapasidad na 60L. Kung ang temperatura ng tangke at gasolina ay 15ºC, gaano karaming gasolina ang ibubo sa oras na maabot nila ang temperatura ng 35ºC?

Ang tangke at gasolina ay tataas sa dami dahil sa pagtaas ng temperatura, ngunit ang gasolina ay tataas pa kaysa sa tangke. Kaya ang bubo na gasolina ay ang pagkakaiba sa iyong mga pagbabago sa dami. Ang volumetric expansion equation ay maaaring magamit upang makalkula ang mga pagbabago sa dami:

Ang lakas ng tunog na naitala ng pagtaas sa temperatura ay pagkatapos:

Ang pagsasama-sama ng mga 3 equation sa isa, mayroon kami:

Mula sa talahanayan 2 ang mga halaga ng koepisyent ng pagpapalawak ng volumetric ay nakuha, pagpapalit ng mga halaga:

Bagaman ang halagang ito ng bubo na gasolina ay medyo hindi gaanong mahalaga kumpara sa isang 60L tank, ang epekto ay nakakagulat, dahil ang gasolina at bakal ay napakabilis na lumawak.

Bibliograpiya

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Thermal Pagpapalawak ng Solids ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Solid-State Physics: Isang Panimula sa Mga Prinsipyo ng Material Science Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, Tomo 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Mga Elemento ng Classical Physics Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Heat at Thermodynamics. Editoryal Aguilar, 1979.