HVA ER VOLUMETRISK UTVIDELSE? (MED EKSEMPLER) - FYSISK - 2026

Den volumekspansjon er et fysisk fenomen som involverer en endring i de tre dimensjoner av et legeme. Volumet eller dimensjonene til de fleste stoffer øker når de blir utsatt for varme; Dette er et fenomen kjent som termisk ekspansjon, men det er også stoffer som trekker seg sammen når de blir oppvarmet.

Selv om volumendringer er relativt små for faste stoffer, er de av stor teknisk betydning, spesielt i situasjoner der det er ønsket å bli sammen med materialer som utvider seg annerledes.

Formen på noen faste stoffer blir forvrengt når den varmes opp og kan utvide seg i noen retninger og trekke seg sammen i andre. Men når det bare er utvidelser i et visst antall dimensjoner, er det en klassifisering for slike utvidelser:

• Lineær utvidelse oppstår når variasjon i en bestemt dimensjon dominerer, for eksempel lengden, bredden eller høyden på kroppen.
• Overflatdilatasjon er en der variasjon i to av de tre dimensjonene dominerer.
• Endelig innebærer volumetrisk utvidelse en variasjon i de tre dimensjonene til en kropp.

Grunnleggende konsepter relatert til termisk ekspansjon

Termisk energi

Materiet består av atomer som er i kontinuerlig bevegelse, enten bevegelige eller vibrerende. Den kinetiske (eller bevegelses) energien som atomer beveger seg med kalles termisk energi, jo raskere de beveger seg, jo mer termisk energi har de.

Varmt

Varme er den termiske energien som overføres mellom to eller flere stoffer eller fra en del av substansen til en annen i en makroskopisk skala. Dette betyr at en varm kropp kan gi fra seg en del av sin termiske energi og påvirke en kropp i nærheten.

Mengden overført varmeenergi avhenger av naturen til kroppen i nærheten og miljøet som skiller dem.

Temperatur

Temperaturbegrepet er grunnleggende for å studere effekten av varme, temperaturen i et legeme er målene for dens evne til å overføre varme til andre kropper.

To legemer i gjensidig kontakt eller atskilt med et passende medium (varmeleder) vil ha samme temperatur hvis det ikke er varmestrøm mellom dem. Tilsvarende vil et legeme X ha en høyere temperatur enn et legeme Y hvis varmen strømmer fra X til Y.

Hva er de grunnleggende egenskapene til termisk ekspansjon?

Det er tydelig relatert til en endring i temperatur, jo høyere temperatur, jo større er ekspansjonen. Det avhenger også av den indre strukturen i materialet, i et termometer er utvidelsen av kvikksølv mye større enn utvidelsen av glasset som inneholder det.

Hva er den grunnleggende årsaken til termisk ekspansjon?

En økning i temperaturen innebærer en økning i den kinetiske energien til de enkelte atomer i et stoff. I et fast stoff, i motsetning til en gass, er atomene eller molekylene tett sammen, men deres kinetiske energi (i form av små, raske vibrasjoner) skiller atomer eller molekyler fra hverandre.

Denne separasjonen mellom nærliggende atomer blir større og større og resulterer i en økning i størrelsen på det faste stoffet.

For de fleste stoffer under vanlige forhold er det ingen foretrukket retning som termisk ekspansjon skjer, og økende temperatur vil øke størrelsen på faststoffet med en viss fraksjon i hver dimensjon.

Lineær utvidelse

Det enkleste eksemplet på utvidelse er utvidelse i en (lineær) dimensjon. Eksperimentelt har det vist seg at endringen i lengde ΔL av et stoff er proporsjonal med endringen i temperatur ΔT og den innledende lengden Lo (figur 1). Vi kan representere dette på følgende måte:

DL = aLoDT

hvor α er en proporsjonalitetskoeffisient kalt lineær ekspansjonskoeffisient og er karakteristisk for hvert materiale. Noen verdier av denne koeffisienten er vist i tabell A.

Koeffisienten for lineær ekspansjon er høyere for materialer som opplever større ekspansjon for hver grad Celsius som temperaturen stiger.

Overfladisk utvidelse

Når du tar et plan i et solid legeme, slik at dette planet er det som gjennomgår termisk utvidelse (figur 2), blir endringen i område ΔA gitt av:

DA = 2aA0

hvor ΔA er endringen i begynnelsesområdet Ao, T er endringen i temperatur, og α er koeffisienten for lineær ekspansjon.

Volumetrisk utvidelse

Som i de foregående tilfellene, kan volumendringen ΔV tilnærmes med forholdet (figur 3). Denne ligningen er vanligvis skrevet som følger:

DV = bVoDT

hvor ß er koeffisienten for volumetrisk ekspansjon og er tilnærmet lik 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, vises verdiene til de volumetriske ekspansjonskoeffisientene for noen materialer.

Generelt vil stoffer utvide seg under en økning i temperatur, og vann er det viktigste unntaket fra denne regelen. Vann ekspanderer når temperaturen øker når det er større enn 4 ºC.

Den utvides imidlertid også når temperaturen synker i området 4 ° C til 0 ° C. Denne effekten kan observeres når vann settes i kjøleskap, vannet ekspanderer når det fryser og det er vanskelig å fjerne isen fra beholderen på grunn av denne utvidelsen.

eksempler

Forskjeller i volumetrisk ekspansjon kan føre til interessante effekter på en bensinstasjon. Et eksempel er at bensin drypper ned i en tank som nettopp har blitt fylt på en varm dag.

Bensinen avkjøler ståltanken når den helles, og både bensinen og tanken utvides med temperaturen i den omgivende luften. Imidlertid ekspanderer bensin mye raskere enn stål, og får den til å lekke ut av tanken.

Forskjellen i ekspansjon mellom bensin og tanken som inneholder den kan forårsake problemer når du leser drivstoffnivåmåleren. Mengden bensin (masse) som er igjen i en tank når måleren når tom, er mye mindre om sommeren enn om vinteren.

Bensin har samme volum på begge stasjonene når varsellampen lyser, men fordi bensin ekspanderer i løpet av sommeren, har den en lavere masse.

Som et eksempel kan du vurdere en full gasstank med stål med en kapasitet på 60L. Hvis temperaturen på tanken og bensinen er 15 ºC, hvor mye bensin blir det sølt når de når en temperatur på 35 ºC?

Tanken og bensinen vil øke i volum med økningen i temperatur, men bensinen vil øke mer enn tanken. Så den sølte bensinen vil være forskjellen i volumendringene dine. Den volumetriske ekspansjonslikningen kan deretter brukes til å beregne volumendringene:

Volumet sølt av økningen i temperatur er da:

Ved å kombinere disse tre likningene i en, har vi:

Fra tabell 2 oppnås verdiene for den volumetre ekspansjonskoeffisienten som erstatter verdiene:

Selv om denne mengden sølt bensin er relativt ubetydelig sammenlignet med en 60L-tank, er effekten overraskende, ettersom bensin og stål ekspanderer veldig raskt.

Bibliografi

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Thermal Expansion of Solids ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Material Science Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, bind 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elements of Classical Physics Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Varme og termodynamikk. Redaksjonell Aguilar, 1979.