התרחבות תרמית: מקדם, סוגים ותרגילים - גוּפָנִי - 2025

התפשטות תרמית עולה או וריאציה של במידות מטריות שונים (כגון אורך או נפח) שעוברת אובייקט פיזי או הגוף. תהליך זה קורה בגלל עליית הטמפרטורה סביב החומר. במקרה של התרחבות לינארית, שינויים אלה מתרחשים בממד אחד בלבד.

ניתן למדוד את המקדם של התרחבות זו על ידי השוואה בין ערך הגודל לפני התהליך ואחריו. חומרים מסוימים סובלים מהפך מהתרחבות תרמית; כלומר הוא הופך ל"שלילי ". מושג זה מציע כי חומרים מסוימים יתכווצו כאשר הם נחשפים לטמפרטורות מסוימות.

התרחבות תרמית במים

עבור מוצקים, מקדם התפשטות לינארי משמש לתיאור ההתפשטות שלהם. לעומת זאת עבור נוזלים מקדם התפשטות נפחי משמש לביצוע החישובים.

במקרה של מוצקים מגובשים, אם זה איזומטרי, ההתפשטות תהיה כללית בכל ממדי הגביש. אם זה לא איזומטרי, ניתן למצוא מקדמי התפשטות שונים ברחבי הזכוכית, והוא ישנה את גודלו כאשר הטמפרטורה תשתנה.

מקדם התרחבות תרמית

מקדם ההתפשטות התרמית (Y) מוגדר כרדיוס השינוי דרכו עבר חומר עקב השינוי בטמפרטורה שלו. מקדם זה מיוצג על ידי הסמל α למוצקים ו- ß לנוזלים, ומונחה על ידי מערכת היחידות הבינלאומית.

מקדמי ההתפשטות התרמית משתנים כשמדובר במוצק, נוזל או גז. לכל אחד יש ייחוד שונה.

לדוגמה, ניתן לראות את התרחבותו של מוצק לאורך. המקדם הנפחי הוא אחד הבסיסיים ביותר מבחינת נוזלים, והשינויים בולטים לכל הכיוונים; מקדם זה משמש גם לחישוב התפשטות הגז.

התרחבות תרמית שלילית

התפשטות תרמית שלילית מתרחשת בחלק מחומרים שבמקום להגדיל את גודלם עם טמפרטורות גבוהות, מתכווצים בגלל טמפרטורות נמוכות.

התרחבות תרמית זו נראית בדרך כלל במערכות פתוחות בהן נצפים אינטראקציות כיווניות - כמו במקרה של קרח - או בתרכובות מורכבות - כמו שקורה עם כמה זאוליטים, Cu2O, בין היתר.

כמו כן, כמה מחקרים הראו כי התרחבות תרמית שלילית מתרחשת גם בסריגים עם רכיבים בודדים בצורה קומפקטית ובאינטראקציה של כוח מרכזי.

דוגמה ברורה להתפשטות תרמית שלילית ניתן לראות כאשר אנו מוסיפים קרח לכוס מים. במקרה זה, הטמפרטורה הגבוהה של הנוזל על הקרח אינה גורמת לעלייה בגודל, אלא גודל הקרח מצטמצם.

סוגים

בעת חישוב התרחבות של אובייקט פיזי, יש לקחת בחשבון כי בהתאם לשינוי בטמפרטורה, אובייקט זה יכול להגדיל או להתכווץ בגודלו.

חלק מהאובייקטים אינם דורשים שינוי דרסטי בטמפרטורה כדי לשנות את גודלם, כך שסביר להניח שהערך המוחזר על ידי החישובים הוא ממוצע.

כמו כל תהליך, התפשטות תרמית מחולקת למספר סוגים המסבירים כל תופעה בנפרד. במקרה של מוצקים, סוגי ההתפשטות התרמית הם התרחבות לינארית, התרחבות נפחית והתרחבות פני השטח.

התרחבות לינארית

וריאציה יחידה שולטת בהרחבה לינארית. במקרה זה היחידה היחידה שעוברת שינוי היא הגובה או הרוחב של העצם.

דרך קלה לחישוב התרחבות מסוג זה היא על ידי השוואה בין ערך העוצמה לפני שינוי הטמפרטורה לבין ערך העוצמה לאחר שינוי הטמפרטורה.

התרחבות נפחית

במקרה של התרחבות נפחית, הדרך לחשב אותה היא על ידי השוואה של נפח הנוזל לפני שינוי הטמפרטורה עם נפח הנוזל לאחר שינוי הטמפרטורה. הנוסחה לחישוב היא:

התרחבות פני שטח או אזור

במקרה של התרחבות פני השטח, נצפתה עלייה בשטח של גוף או חפץ עקב שינוי בטמפרטורה שלו ב- 1 מעלות צלזיוס.

הרחבה זו עובדת עבור מוצקים. אם יש לנו גם את המקדם הליניארי, אנו יכולים לראות שגודל העצם יהיה גדול פי 2. הנוסחה לחישוב היא:

A _f = A ₀

בביטוי זה:

γ = מקדם התרחבות שטח

A ₀ = אזור ראשוני

_F אזור = סופי

T ₀ = טמפרטורה ראשונית.

T _f = טמפרטורה סופית

ההבדל בין התרחבות שטח להרחבה לינארית הוא שבראשון אתה רואה שינוי גובר באזור האובייקט, ובשני השינוי הוא של מידה יחידה אחת (כמו האורך או האורך) רוחב האובייקט הפיזי).

דוגמאות

תרגיל ראשון (התרחבות לינארית)

אורך המסילה המרכיבה את מסילת הרכבת העשויה פלדה. מה יהיה קו האורך כאשר הטמפרטורה תעבור בין 24 ל 45 מעלות צלזיוס?

פִּתָרוֹן

נתונים:

Lο (אורך ראשוני) = 1500 מ '

L _f (אורך סופי) =?

T (טמפרטורה ראשונית) = 24 מעלות צלזיוס

T _f (טמפרטורה סופית) = 45 מעלות צלזיוס

α (מקדם התפשטות ליניארית המתאימה לפלדה) = ^11X10-6 ° C ^-1

הנתונים מוחלפים בנוסחה הבאה:

עם זאת, עליכם לדעת תחילה את ערך הפרש הטמפרטורה, על מנת לכלול נתונים אלה במשוואה. כדי להשיג הפרש זה, יש להפחית את הטמפרטורה הגבוהה ביותר מהנמוכה ביותר.

Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C

לאחר שמידע זה ידוע, ניתן להשתמש בנוסחה הקודמת:

Lf = 1500 מ '(1 + 21 מעלות צלזיוס. 11 x 10 ^-6 ° C ^-1 )

Lf = 1500 מ '(1 + 2.31 x ^10-4 )

Lf = 1500 מ '(1,000231)

Lf = 1500.3465 מ '

תרגיל שני (הרחבה שטחית)

בבית ספר תיכון חנות זכוכית שטח של 1.4 מ '^ 2, אם הטמפרטורה היא 21 מעלות צלזיוס. מה יהיה השטח הסופי שלה כשהטמפרטורה תעלה ל -35 ° C?

פִּתָרוֹן

Af = A0

אפ = 1.4 מ ' ² 204.4 x 10 ^-6 ]

אפ = 1.4 מ ' ² . 1,0002044

אפ = 1.40028616 מ ²

מדוע ההתרחבות מתרחשת?

כולם יודעים שכל החומר מורכב מחלקיקים תת-אטומיים שונים. על ידי שינוי הטמפרטורה, העלאתה או הורדתה, אטומים אלה מתחילים בתהליך תנועה שיכול לשנות את צורת האובייקט.

כאשר העלאת הטמפרטורה המולקולות מתחילות לנוע במהירות עקב העלייה באנרגיה הקינטית, וכך צורתו או נפחו של העצם יגברו.

במקרה של טמפרטורות שליליות, ההפך קורה, במקרה זה נפח האובייקט נוטה להתכווץ בגלל טמפרטורות נמוכות.

הפניות

1. התפשטות ליניארית, שטחית ונפחית - תרגילים. נפתר התאושש ב- 8 במאי 2018, מפיסימאת: fisimat.com.mx
2. התרחבות שטחית - תרגילים נפתרים. הוחזר ב -8 במאי 2018, מפיסימאת: fisimat.com.mx
3. התפשטות תרמית. הוחזר ב 8 במאי 2018 מ- Encyclopædia Britannica: britannica.com
4. התפשטות תרמית. הוחזר ב -8 במאי 2018, ממושגי Hyper Physics: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. התפשטות תרמית. הוחזר ב -8 במאי 2018 מ- Lumen Learning: kurss.lumenlearning.com
6. התפשטות תרמית. הוחזר ב -8 במאי 2018, מתוך ספר ההיפרקסט של הפיזיקה: physics.info
7. התפשטות תרמית. הוחזר ב- 8 במאי 2018 מוויקיפדיה: en.wikipedia.org.