מהי התרחבות נפחית? (עם דוגמאות) - גוּפָנִי - 2025

הרחבת נפח היא תופעה פיזית הכרוך בשינוי בשלושת ממדי גוף. הנפח או הממדים של רוב החומרים גדלים כאשר הם נתונים לחום; זוהי תופעה המכונה התפשטות תרמית, עם זאת ישנם גם חומרים המתכווצים כאשר הם מחוממים.

למרות ששינוי הנפח קטן יחסית למוצקים, יש להם חשיבות טכנית רבה, במיוחד במצבים בהם רצוי להצטרף לחומרים שמתרחבים בצורה שונה.

צורתם של חלק מהמוצקים מעוותת כשהם מחוממים ויכולים להתרחב בכיוונים מסוימים ולהתכווץ באחרים. עם זאת, כאשר קיימת התרחבות רק במספר מסוים של ממדים, קיימת סיווג להרחבות כאלה:

• התרחבות ליניארית מתרחשת כאשר השונות בממד מסוים שולטת, כמו אורך, רוחב או גובה הגוף.
• התרחבות פני השטח היא אחת שהשונות בשניים משלושת הממדים שולטת בה.
• לבסוף, התרחבות נפחית מרמזת על שינויים בשלושת הממדים של גוף.

מושגי יסוד הקשורים להתפשטות תרמית

אנרגיית תרמית

חומר מורכב מאטומים שנמצאים בתנועה רציפה, נעים או רוטטים. האנרגיה הקינטית (או התנועה) שאיתה נעים אטומים נקראת אנרגיה תרמית, ככל שהם נעים מהר יותר, כך יש להם אנרגיה תרמית יותר.

חַם

חום הוא האנרגיה התרמית המועברת בין שני חומרים או יותר או מחלק אחד של חומר למשנהו בסולם מקרוסקופי. המשמעות היא שגוף חם יכול לוותר על חלק מהאנרגיה התרמית שלו ולהשפיע על גוף קרוב אליו.

כמות אנרגיית החום המועברת תלויה באופי הגוף הסמוך ובסביבה המפרידה ביניהם.

טֶמפֶּרָטוּרָה

מושג הטמפרטורה הוא בסיסי לחקר השפעות החום, הטמפרטורה של גוף היא המדד ליכולתו להעביר חום לגופים אחרים.

שני גופים במגע הדדי או מופרדים על ידי מדיום מתאים (מוליך חום) יהיו באותה טמפרטורה אם אין זרימת חום ביניהם. באופן דומה, גוף X יהיה בטמפרטורה גבוהה יותר מגוף Y אם חום זורם מ- X ל- Y.

מהם התכונות הבסיסיות של התפשטות תרמית?

זה קשור בבירור לשינוי בטמפרטורה, ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך התרחבות גדולה יותר. זה תלוי גם במבנה הפנימי של החומר, במדחום, התפשטות הכספית גדולה בהרבה מההתרחבות של הזכוכית המכילה אותו.

מה הגורם הבסיסי להתפשטות תרמית?

עלייה בטמפרטורה מרמזת עלייה באנרגיה הקינטית של האטומים האישיים בחומר. במוצק, בניגוד לגז, האטומים או המולקולות נמצאים זה בזה זה בזה, אך האנרגיה הקינטית שלהם (בצורה של תנודות קטנות ומהירות) מפרידה בין האטומים או המולקולות זה לזה.

הפרדה זו בין האטומים השכנים הופכת גדולה יותר ויותר ומביאה לעלייה בגודל המוצק.

עבור מרבית החומרים בתנאים רגילים, אין כיוון מועדף בו מתרחשת התפשטות תרמית, ועליית הטמפרטורה תגדיל את גודל המוצק בשבריר מסוים בכל ממד.

התרחבות לינארית

הדוגמה הפשוטה ביותר להרחבה היא התרחבות בממד אחד (לינארי). באופן ניסוי נמצא כי שינוי אורך lengthL של חומר פרופורציונלי לשינוי בטמפרטורה ΔT ולאורך הראשוני Lo (איור 1). אנו יכולים לייצג זאת בדרך הבאה:

DL = aLoDT

כאשר α הוא מקדם מידתיות המכונה מקדם ההתפשטות הליניארית ומאפיין כל חומר. ערכים מסוימים של מקדם זה מוצגים בטבלה A.

מקדם ההתפשטות הליניארית גבוה יותר עבור חומרים החווים התפשטות רבה יותר עבור כל תואר צלזיוס שהטמפרטורה שלהם עולה.

התרחבות שטחית

כאשר נלקח מטוס בתוך גוף מוצק, כך שמישור זה הוא זה שעובר התפשטות תרמית (איור 2), השינוי בשטח ΔA ניתן על ידי:

DA = 2aA0

כאשר ΔA הוא השינוי באזור ההתחלתי Ao, T הוא שינוי הטמפרטורה, ו- α הוא מקדם ההתפשטות הליניארית.

התרחבות נפחית

כמו במקרים הקודמים, ניתן לערוך את השינוי בנפח ΔV עם הקשר (איור 3). משוואה זו נכתבת בדרך כלל כך:

DV = bVoDT

כאשר β הוא מקדם ההתפשטות הנפח והוא שווה בערך ל- 3 ∝ τ∝ ßλ∝ 2, מוצגים הערכים של מקדמי ההתפשטות הנפחיים עבור חומרים מסוימים.

באופן כללי, חומרים יתרחבו תחת עלייה בטמפרטורה, כאשר המים הם החריג החשוב ביותר לכלל זה. מים מתרחבים כאשר הטמפרטורה שלהם עולה כשהם גדולים מ- 4 מעלות צלזיוס.

עם זאת, הוא מתרחב גם כאשר הטמפרטורה שלו יורדת בטווח של 4 ° C ל- 0 ° C. ניתן להבחין באפקט זה כשמכניסים מים למקרר, המים מתרחבים כשהם קופאים וקשה להוציא את הקרח מהמיכל שלו בגלל התרחבות זו.

דוגמאות

הבדלים בהתפשטות הנפח יכולים להוביל להשפעות מעניינות בתחנת דלק. דוגמא לכך היא בנזין שטפטף למיכל שזה עתה התמלא ביום חם.

הבנזין מקרר את מיכל הפלדה בעת שנמזג, וגם הבנזין וגם המכל מתרחבים עם הטמפרטורה של האוויר שמסביב. עם זאת, בנזין מתרחב הרבה יותר מהר מפלדה, וגורם לו לדלוף מהמיכל.

ההבדל בהתפשטות בין בנזין למיכל המכיל אותו יכול לגרום לבעיות בעת קריאת מד מפלס הדלק. כמות הבנזין (המסה) שנותרה במיכל כשהמד מגיע לריק היא הרבה פחות בקיץ מאשר בחורף.

בנזין יש אותו נפח בשתי התחנות כאשר נורת האזהרה נדלקת, אך מכיוון שהבנזין מתרחב במהלך הקיץ, יש לו מסה נמוכה יותר.

כדוגמה, אתה יכול לשקול מיכל גז פלדה מלא, עם הספק של 60L. אם הטמפרטורה של המכל והבנזין היא 15 מעלות צלזיוס, כמה בנזין יישפך כשהם יגיעו לטמפרטורה של 35 מעלות צלזיוס?

המיכל והבנזין יעלו בנפח בגלל עליית הטמפרטורה, אך הבנזין יגדל יותר מהמיכל. כך שהבנזין שנשפך יהיה ההבדל בשינויי הנפח שלך. לאחר מכן ניתן להשתמש במשוואת ההתפשטות הנפחית לחישוב שינויי הנפח:

נפח שנשפך על ידי עליית הטמפרטורה הוא אז:

שילוב של שלוש משוואות אלה באחת, יש לנו:

מטבלה 2 מתקבלים הערכים של מקדם ההתפשטות הנפחי, המחליפים ערכים:

למרות שכמות הבנזין הנשפכת הזו אינה משמעותית יחסית למיכל 60L, ההשפעה מפתיעה שכן בנזין ופלדה מתרחבים במהירות רבה.

בִּיבּלִיוֹגְרָפִיָה

1. ין הו צ'ו, Taylor R. Expansion Thermal of Solids ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Physics State Solid State: מבוא לעקרונות של מדעי החומר שפרינגר מדע ומדיה עסקית, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Crane K. Physics, Volume 1. Wiley, 2001.
4. מרטין סי מרטין, צ'רלס א. יווט אלמנטים מהפיזיקה הקלאסית Elsevier, 2013.
5. זמנסקי מארק וו. חום ותרמודינמיקה. עריכה אגילאר, 1979.