การขยายปริมาตรคืออะไร? (พร้อมตัวอย่าง)

การขยายปริมาตรเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงในสามมิติของร่างกาย ปริมาตรหรือขนาดของสารส่วนใหญ่เพิ่มขึ้นเมื่อถูกความร้อน นี่คือปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการขยายตัวทางความร้อนอย่างไรก็ตามยังมีสารที่หดตัวเมื่อถูกความร้อน.

ถึงแม้ว่าการเปลี่ยนแปลงปริมาณจะค่อนข้างเล็กสำหรับของแข็งพวกเขามีความสำคัญทางเทคนิคที่ดีส่วนใหญ่ในสถานการณ์ที่ต้องการเข้าร่วมวัสดุที่ขยายตัวในลักษณะที่แตกต่างกัน.

รูปทรงของของแข็งบางชนิดจะทนความบิดเบี้ยวเมื่อถูกความร้อนและสามารถขยายตัวในบางทิศทางและหดตัวได้ อย่างไรก็ตามเมื่อมีการขยายในบางมิติเท่านั้นมีการจำแนกสำหรับการขยายดังกล่าว:

• การขยายเชิงเส้นเกิดขึ้นเมื่อการเปลี่ยนแปลงในมิติที่เฉพาะเจาะจงมีอิทธิพลเช่นความยาวความกว้างหรือความสูงของร่างกาย.
• การขยายผิวเผินคือการที่ความแปรผันในสองในสามมิติมีอิทธิพลเหนือกว่า.
• ในที่สุดการขยายปริมาตรหมายถึงการเปลี่ยนแปลงในสามมิติของร่างกาย.

ดัชนี

• 1 แนวคิดพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับการขยายตัวทางความร้อน
  • 1.1 พลังงานความร้อน
  • 1.2 ความร้อน
  • 1.3 อุณหภูมิ
• 2 คุณสมบัติพื้นฐานของการขยายตัวทางความร้อนคืออะไร?
• 3 สาเหตุพื้นฐานของการขยายตัวทางความร้อนคืออะไร?
  • 3.1 การขยายตัวเชิงเส้น
  • 3.2 การขยายพื้นผิว
  • 3.3 การขยายปริมาตร
• 4 ตัวอย่าง
• 5 บรรณานุกรม

แนวคิดพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับการขยายตัวทางความร้อน

พลังงานความร้อน

สสารถูกสร้างขึ้นจากอะตอมที่เคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องไม่ว่าจะเคลื่อนที่หรือสั่น พลังงานจลน์ (หรือการเคลื่อนไหว) ที่อะตอมเคลื่อนที่เรียกว่าพลังงานความร้อนยิ่งเคลื่อนที่เร็วยิ่งมีพลังงานความร้อนมากขึ้นเท่านั้น.

ความร้อน

ความร้อนคือพลังงานความร้อนที่ถ่ายโอนระหว่างสารสองตัวหรือมากกว่าหรือจากสารหนึ่งไปยังอีกสารหนึ่งในระดับมหภาค ซึ่งหมายความว่าร่างกายที่ร้อนสามารถเลิกใช้พลังงานความร้อนบางส่วนและส่งผลต่อร่างกายที่อยู่ใกล้เคียงได้.

ปริมาณของพลังงานความร้อนที่ถ่ายโอนนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะของร่างกายใกล้เคียงและสื่อที่แยกพวกมัน.

อุณหภูมิ

แนวคิดของอุณหภูมิเป็นพื้นฐานในการศึกษาผลกระทบของความร้อนอุณหภูมิของร่างกายคือการวัดความสามารถในการถ่ายโอนความร้อนไปยังร่างกายอื่น ๆ.

วัตถุสองชิ้นที่สัมผัสกันหรือแยกจากกันโดยตัวกลางที่เหมาะสม (ตัวนำความร้อน) จะอยู่ที่อุณหภูมิเดียวกันหากไม่มีการถ่ายเทความร้อนระหว่างกัน ในทำนองเดียวกันร่างกาย X จะพบที่อุณหภูมิสูงกว่าร่างกายและหากความร้อนไหลจาก X ถึง Y.

คุณสมบัติพื้นฐานของการขยายตัวทางความร้อนคืออะไร?

มันเกี่ยวข้องอย่างชัดเจนกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอุณหภูมิที่สูงขึ้นการขยายตัวที่มากขึ้น นอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับโครงสร้างภายในของวัสดุในเทอร์โมมิเตอร์การขยายตัวของปรอทนั้นยิ่งใหญ่กว่าการขยายตัวของแก้วที่บรรจุอยู่.

อะไรคือสาเหตุพื้นฐานของการขยายตัวทางความร้อน?

การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิหมายถึงการเพิ่มขึ้นของพลังงานจลน์ของอะตอมเดี่ยว ๆ ในสาร ในของแข็งซึ่งแตกต่างจากแก๊สอะตอมหรือโมเลกุลอยู่ชิดกัน แต่พลังงานจลน์ของพวกมัน (ในรูปแบบของการสั่นสะเทือนขนาดเล็กและรวดเร็ว) แยกอะตอมหรือโมเลกุลออกจากกัน.

การแยกระหว่างอะตอมข้างเคียงนี้มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ และส่งผลให้ขนาดของของแข็งเพิ่มขึ้น.

สำหรับสารส่วนใหญ่ภายใต้สภาวะปกติไม่มีทิศทางที่ต้องการในการขยายตัวทางความร้อนและการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจะเพิ่มขนาดของของแข็งโดยเศษส่วนที่แน่นอนในแต่ละมิติ.

การขยายเชิงเส้น

ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของการขยายคือการขยายในหนึ่งมิติ (เชิงเส้น) จากการทดลองพบว่าการเปลี่ยนแปลงความยาวΔLของสารเป็นสัดส่วนกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิΔTและความยาวเริ่มต้น Lo (รูปที่ 1) เราสามารถแสดงสิ่งนี้ด้วยวิธีต่อไปนี้:

DL = aLoDT

โดยที่αคือสัมประสิทธิ์ของสัดส่วนเรียกว่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นและเป็นลักษณะของวัสดุแต่ละชนิด ค่าบางส่วนของสัมประสิทธิ์นี้แสดงในตาราง A.

ค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเชิงเส้นจะมากขึ้นสำหรับวัสดุที่มีประสบการณ์การขยายตัวที่มากขึ้นสำหรับแต่ละองศาเซนติเกรดที่เพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ.

การขยายพื้นผิว

เมื่อเครื่องบินถูกนำเข้าไปในร่างกายที่มั่นคงเพื่อให้เครื่องบินลำนี้เป็นเครื่องบินที่ผ่านการขยายตัวทางความร้อน (รูปที่ 2) การเปลี่ยนแปลงในพื้นที่ΔAจะได้รับจาก:

DA = 2aA0

เมื่อΔAคือการเปลี่ยนแปลงในพื้นที่เริ่มต้น Ao, Tคือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและαคือสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้น.

การขยายปริมาตร

ดังเช่นในกรณีก่อนหน้าการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร canV สามารถประมาณได้กับความสัมพันธ์ (รูปที่ 3) สมการนี้มักจะเขียนดังนี้

DV = bVoDT

โดยที่βคือสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเชิงปริมาตรและประมาณเท่ากับ3αΛαταßλα 2 ค่าของสัมประสิทธิ์ของการขยายปริมาตรสำหรับวัสดุบางชนิดจะแสดง.

โดยทั่วไปสารจะขยายตัวภายใต้อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นน้ำเป็นข้อยกเว้นที่สำคัญที่สุดสำหรับกฎนี้ น้ำขยายตัวเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นเมื่อสูงกว่า4ºC.

อย่างไรก็ตามมันยังขยายตัวเมื่ออุณหภูมิลดลงในช่วง 4 ° C ถึง 0 ° C ผลกระทบนี้สามารถสังเกตได้เมื่อน้ำถูกใส่เข้าไปในตู้เย็นน้ำจะขยายตัวเมื่อแช่แข็งและเป็นการยากที่จะแยกน้ำแข็งออกจากภาชนะโดยการขยายตัวนี้.

ตัวอย่าง

ความแตกต่างในการขยายปริมาตรสามารถนำไปสู่ผลกระทบที่น่าสนใจในสถานีบริการน้ำมัน ตัวอย่างคือหยดน้ำมันเบนซินในถังที่เพิ่งเติมในวันที่อากาศร้อน.

น้ำมันเบนซินจะทำให้ถังเหล็กเย็นลงเมื่อเทลงและน้ำมันเบนซินและถังจะขยายตัวตามอุณหภูมิของอากาศโดยรอบ อย่างไรก็ตามน้ำมันเบนซินจะเจือจางได้เร็วกว่าเหล็กมากและหยดลงมาจากถัง.

ความแตกต่างในการขยายตัวระหว่างน้ำมันเบนซินและถังน้ำมันที่บรรจุอยู่อาจทำให้เกิดปัญหาเมื่ออ่านตัวบ่งชี้ระดับน้ำมันเชื้อเพลิง ปริมาณน้ำมันเบนซิน (มวล) ที่เหลืออยู่ในถังเมื่อตัวบ่งชี้ถึงระดับสูญญากาศจะต่ำกว่าในฤดูร้อนมากกว่าในฤดูหนาว.

น้ำมันเบนซินมีปริมาตรเท่ากันทั้งสองสถานีเมื่อไฟเตือนติดขึ้น แต่เนื่องจากน้ำมันเบนซินเจือจางในช่วงฤดูร้อนจึงมีมวลต่ำ.

ยกตัวอย่างเช่นมันสามารถถือได้ว่าเป็นถังน้ำมันเหล็กที่มีความจุ 60 ลิตร หากอุณหภูมิของถังและน้ำมันเบนซินเท่ากับ15ºCก๊าซจะหกเมื่อมีอุณหภูมิ35ºC?

ถังและน้ำมันเบนซินจะเพิ่มปริมาณเนื่องจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น แต่น้ำมันเบนซินจะเพิ่มขึ้นมากกว่าถัง ดังนั้นน้ำมันเบนซินที่หกจะแตกต่างจากการเปลี่ยนแปลงปริมาณของคุณ จากนั้นสามารถใช้สมการการขยายปริมาตรเพื่อคำนวณการเปลี่ยนแปลงปริมาตร:

ปริมาตรที่หกรั่วไหลโดยการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิคือ:

เมื่อรวมสมการทั้ง 3 นี้เข้าด้วยกันเรามี:

จากตารางที่ 2 จะได้รับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงปริมาตรค่าทดแทน:

แม้ว่าปริมาณก๊าซที่หกรั่วไหลนี้จะค่อนข้างไม่มีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับถังขนาด 60 L ผลที่ได้นั้นน่าประหลาดใจเนื่องจากน้ำมันเบนซินและเหล็กกล้าขยายตัวเร็วมาก.

บรรณานุกรม

1. Yen Ho Cho, Taylor R. การขยายตัวทางความร้อนของของแข็ง ASM International, 1998.
2. H. Ibach, ฟิสิกส์ฟิสิกส์สถานะของแข็งของฮันส์Lüth: การแนะนำให้รู้จักกับหลักการของวัสดุศาสตร์วิทยาศาสตร์ & ธุรกิจสื่อสปริงเกอร์ 2546.
3. Halliday D. , Resnick R. , Krane K. Physics, เล่มที่ 1 Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, องค์ประกอบ Charles A. Hewett ของฟิสิกส์คลาสสิก Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. ความร้อนและอุณหพลศาสตร์ บรรณาธิการอากีลาร์ 2522.