Độ giãn nhiệt: Hệ số, loại và bài tập
Sự giãn nở nhiệt là sự tăng hoặc biến đổi của các kích thước số liệu khác nhau (như chiều dài hoặc âm lượng) mà một vật thể hoặc vật thể phải chịu. Quá trình này xảy ra do sự gia tăng nhiệt độ xung quanh vật liệu. Trong trường hợp giãn nở tuyến tính, những thay đổi này xảy ra trong một chiều duy nhất.
Hệ số của sự giãn nở này có thể được đo bằng cách so sánh giá trị của đại lượng trước và sau quá trình. Một số vật liệu phải chịu sự đối nghịch của sự giãn nở nhiệt; đó là, nó trở thành "tiêu cực". Khái niệm này đề xuất rằng một số vật liệu hợp đồng khi tiếp xúc với nhiệt độ nhất định.
Đối với chất rắn, hệ số giãn nở tuyến tính được sử dụng để mô tả sự giãn nở của nó. Mặt khác, một hệ số giãn nở thể tích được sử dụng cho các chất lỏng để thực hiện các tính toán.
Trong trường hợp chất rắn kết tinh, nếu nó là đẳng cự, sự giãn nở sẽ nói chung trong tất cả các kích thước của tinh thể. Nếu nó không phải là đẳng cự, các hệ số giãn nở khác nhau có thể được tìm thấy dọc theo tinh thể, và nó sẽ thay đổi kích thước của nó khi thay đổi nhiệt độ.
Hệ số giãn nở nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt (Y) được định nghĩa là bán kính thay đổi mà qua đó vật liệu đi qua do sự thay đổi nhiệt độ của nó. Hệ số này được biểu thị bằng ký hiệu α cho chất rắn và cho chất lỏng và được hướng dẫn bởi Hệ thống đơn vị quốc tế.
Các hệ số giãn nở nhiệt khác nhau khi nói đến chất rắn, lỏng hoặc khí. Mỗi người có một đặc thù khác nhau.
Ví dụ, sự giãn nở của vật rắn có thể được nhìn thấy dọc theo chiều dài. Hệ số thể tích là một trong những yếu tố cơ bản nhất liên quan đến chất lỏng và những thay đổi là đáng chú ý theo mọi hướng; Hệ số này cũng được sử dụng khi tính toán độ giãn nở của khí.
Mở rộng nhiệt âm
Sự giãn nở nhiệt âm xảy ra ở một số vật liệu, thay vì tăng kích thước của chúng với nhiệt độ cao, bị co lại do nhiệt độ thấp.
Kiểu giãn nở nhiệt này thường được thấy trong các hệ thống mở, trong đó các tương tác định hướng được quan sát - như trong trường hợp băng - hoặc trong các hợp chất phức tạp - xảy ra với một số zeolit, Cu2O, trong số các loại khác.
Tương tự như vậy, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự giãn nở nhiệt âm cũng xảy ra trong các mạng đơn thành phần ở dạng nhỏ gọn và có tương tác lực trung tâm.
Một ví dụ rõ ràng về sự giãn nở nhiệt âm có thể được nhìn thấy khi thêm đá vào ly nước. Trong trường hợp này, nhiệt độ cao của chất lỏng trên băng không gây ra bất kỳ sự gia tăng kích thước nào, mà thay vào đó làm giảm kích thước tương tự.
Các loại
Khi tính toán độ giãn nở của một vật thể, phải xem xét rằng, tùy thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ, vật thể đó có thể tăng hoặc co lại kích thước của nó.
Một số đối tượng không yêu cầu thay đổi nhiệt độ mạnh mẽ để sửa đổi kích thước của chúng, vì vậy có khả năng giá trị được ném bởi các tính toán là trung bình.
Giống như tất cả các quá trình, sự giãn nở nhiệt được chia thành nhiều loại giải thích từng hiện tượng riêng biệt. Trong trường hợp chất rắn, các loại giãn nở nhiệt là giãn nở tuyến tính, giãn nở thể tích và giãn nở bề mặt.
Độ giãn tuyến tính
Trong sự giãn nở tuyến tính, một biến thể duy nhất chiếm ưu thế. Trong trường hợp này, đơn vị duy nhất trải qua thay đổi là chiều cao hoặc chiều rộng của đối tượng.
Một cách dễ dàng để tính toán loại giãn nở này là bằng cách so sánh giá trị của đại lượng trước khi thay đổi nhiệt độ với giá trị của đại lượng sau khi thay đổi nhiệt độ.
Độ giãn nở thể tích
Trong trường hợp giãn nở thể tích, cách tính toán bằng cách so sánh thể tích của chất lỏng trước khi thay đổi nhiệt độ với thể tích của chất lỏng sau khi thay đổi nhiệt độ. Công thức để tính toán nó là:
Sự giãn nở bề mặt hoặc diện tích
Trong trường hợp giãn nở bề mặt, sự gia tăng diện tích của cơ thể hoặc vật thể được quan sát thấy khi có sự thay đổi nhiệt độ của nó đến 1 ° C.
Sự giãn nở này hoạt động cho chất rắn. Nếu bạn cũng có hệ số tuyến tính, bạn có thể thấy rằng kích thước của đối tượng sẽ lớn gấp đôi. Công thức để tính toán nó là:
A f = A 0 [1 + YA (T f - T 0 )]
Trong biểu thức này:
= hệ số mở rộng diện tích [° C-1]
A 0 = Khu vực ban đầu
A f = Khu vực cuối cùng
T 0 = Nhiệt độ ban đầu.
T f = Nhiệt độ cuối cùng
Sự khác biệt giữa giãn nở khu vực và giãn nở tuyến tính là ở lần đầu tiên có sự thay đổi tăng diện tích của đối tượng và trong lần thứ hai, sự thay đổi là của một phép đo đơn vị (vì nó có thể là chiều dài hoặc chiều rộng của vật thể).
Ví dụ
Bài tập đầu tiên (giãn tuyến tính)
Các đường ray tạo nên đường ray của một đoàn tàu được xây dựng bằng thép có chiều dài 1500 m. Điều gì sẽ là chiều dài tại thời điểm khi nhiệt độ đi từ 24 đến 45 ° C?
Giải pháp
Dữ liệu:
L0 (chiều dài ban đầu) = 1500 m
L f (chiều dài cuối cùng) =?
Totta (nhiệt độ ban đầu) = 24 ° C
T f (nhiệt độ cuối cùng) = 45 ° C
α (hệ số giãn nở tuyến tính tương ứng với thép) = 11 x 10-6 ° C-1
Dữ liệu được thay thế trong công thức sau:
Tuy nhiên, trước tiên chúng ta phải biết giá trị của chênh lệch nhiệt độ, để đưa dữ liệu này vào phương trình. Để đạt được sự khác biệt này, hãy trừ nhiệt độ cao nhất từ mức thấp nhất.
Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C
Khi thông tin này được biết, có thể sử dụng công thức trước đó:
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 = 1500.365 m
Bài tập thứ hai (giãn nở bề ngoài)
Ở một trường trung học, bán kính có diện tích 1, 4 m ^ 2, nếu nhiệt độ ở mức 21 ° C. Điều gì sẽ là khu vực cuối cùng của bạn khi nhiệt độ tăng lên 35 ° C?
Giải pháp
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
Tại sao sự giãn nở xảy ra?
Mọi người đều biết rằng tất cả các vật liệu bao gồm các hạt hạ nguyên tử khác nhau. Bằng cách thay đổi nhiệt độ, tăng hoặc giảm, các nguyên tử này bắt đầu một quá trình chuyển động có thể thay đổi hình dạng của vật thể.
Khi nhiệt độ tăng, các phân tử bắt đầu di chuyển nhanh do sự gia tăng của động năng và do đó, hình dạng hoặc thể tích của vật thể sẽ tăng lên.
Trong trường hợp nhiệt độ âm thì điều ngược lại xảy ra, trong trường hợp này, thể tích của vật thể thường bị co lại bởi nhiệt độ thấp.
