체적 팽창이란 무엇입니까? (예제 포함)



체적 팽창은 신체의 3 차원에서의 변화를 의미하는 물리적 현상입니다. 열에 노출되면 대부분의 물질의 부피 또는 치수가 증가합니다. 이것은 열팽창으로 알려진 현상이지만 가열 될 때 수축하는 물질도 있습니다.

체적 변화는 고체의 경우 상대적으로 적지 만 주로 다른 방식으로 확장되는 재료를 결합하고자하는 경우 기술적으로 매우 중요합니다..

일부 고형물의 모양은 가열 될 때 왜곡되어 일부 방향으로 팽창하고 다른 방향으로 수축 할 수 있습니다. 그러나 일정한 수의 차원에서 팽창 만있을 경우 이러한 확장에 대한 분류가 있습니다.

  • 선형 팽창은 신체의 길이, 폭 또는 높이와 같은 특정 차원의 변화가 우세 할 때 발생합니다.
  • 피상적 인 팽창은 3 차원 중 2 가지의 변이가 우세한.
  • 마지막으로 체적 팽창은 신체의 3 차원에서의 변화를 의미합니다.

색인

  • 1 열팽창과 관련된 기본 개념
    • 1.1 열 에너지
    • 1.2 열
    • 1.3 온도
  • 2 열팽창의 기본 특성은 무엇입니까??
  • 3 열팽창의 근본 원인은 무엇입니까?
    • 3.1 선형 확장
    • 3.2 표면 팽창
    • 3.3 체적 팽창
  • 4 예
  • 5 서지

열팽창과 관련된 기본 개념

열 에너지

물질은 움직이거나 진동하는 연속 운동을하는 원자로 이루어져 있습니다. 원자들이 이동하는 운동 에너지 (또는 운동)는 열 에너지라고 불리우며 움직이는 속도가 빠를수록 열 에너지가 많아집니다..

열

열은 두 개 이상의 물질 사이 또는 한 물질에서 다른 물질로 거시 규모로 전달되는 열 에너지입니다. 즉, 뜨거운 몸체는 열에너지의 일부를 포기하고 그 몸체에 가까운 신체에 영향을 줄 수 있습니다..

전달되는 열 에너지의 양은 근처의 몸체와 그 몸체를 분리하는 매체의 성격에 달려 있습니다.

온도

온도의 개념은 열의 영향을 연구하는 기본이며, 체온은 다른 기관에 열을 전달하는 능력의 척도입니다.

두 물체가 서로 접촉하거나 적절한 매질 (열전 도체)에 의해 분리 된 경우 두 물체 사이에 열 흐름이 없으면 같은 온도가됩니다. 마찬가지로, 몸체 X는 몸체보다 더 높은 온도에서 발견되며, 열이 X에서 Y로 흐르는 경우.

열팽창의 기본 특성은 무엇입니까?

이것은 분명히 온도 변화와 관련이 있습니다. 온도가 높을수록 팽창이 커집니다. 그것은 또한 온도계에서 물질의 내부 구조에 달려 있습니다. 수은의 팽창은 그것을 함유 한 유리의 팽창보다 훨씬 큽니다..

열팽창의 근본 원인은 무엇입니까??

온도가 상승하면 물질 내의 개별 원자의 운동 에너지가 증가합니다. 고체와 달리 가스와는 달리 원자 또는 분자는 서로 밀접하게 결합되어 있지만 운동 에너지 (작고 급격한 진동의 형태로)는 원자 또는 분자를 서로 분리시킵니다.

이웃 한 원자들 사이의이 분리는 점점 커져서 고체의 크기를 증가시킨다..

보통의 조건에서 대부분의 물질의 경우, 열팽창이 발생하는 바람직한 방향이없고, 온도의 증가는 각 차원에서 일정한 분율만큼 고체의 크기를 증가시킵니다.

선형 확장

팽창의 가장 간단한 예는 한 차원에서의 확장 (선형)입니다. 물질의 길이 변화 ΔL은 온도 ΔT와 초기 길이 Lo (그림 1)의 변화에 ​​비례한다는 것이 실험적으로 밝혀졌다. 우리는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

DL = aLoDT

여기서 α는 선 팽창 계수 라 불리는 비례 계수이며 각 재료의 특성입니다. 이 계수의 일부 값은 표 A에 나와 있습니다.

온도가 상승하는 각 섭씨 온도에서 더 큰 팽창을 경험하는 재료의 경우 선형 팽창 계수가 더 큽니다..

표면 팽창

평면이 고체 내부에서 취해 져서이 평면이 열팽창을받는 경우 (그림 2), 면적 ΔA의 변화는 다음과 같이 나타납니다.

DA = 2aA0

여기서 ΔA는 초기 영역 Ao의 변화, T는 온도 변화, α는 선팽창 계수.

체적 팽창

이전의 경우와 마찬가지로, 볼륨 ΔV의 변화는 관계식으로 근사화 될 수 있습니다 (그림 3). 이 방정식은 대개 다음과 같이 작성됩니다.

DV = bVoDT

여기서 β는 체적 팽창 계수이며 대략적으로 3α Λα τα ßλα 2와 동일합니다. 일부 재료에 대한 체적 팽창 계수의 값이 표시됩니다.

일반적으로 물질은 온도가 상승 할 때 팽창 할 것이며, 물은이 규칙의 가장 중요한 예외입니다. 4ºC 이상으로 온도가 상승하면 물이 팽창합니다..

그러나 4 ° C에서 0 ° C까지 온도가 내려 가면 팽창합니다. 이 효과는 물을 냉장고에 넣고 물이 얼어 붙으면 팽창하며이 팽창으로 용기에서 얼음을 추출하기가 어려울 때 관찰 할 수 있습니다.

예제들

체적 팽창의 차이는 주유소에서 흥미로운 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어 더운 날에 막 채워진 탱크에 휘발유가 떨어지는 경우가 있습니다.

휘발유는 부어 질 때 강철 탱크를 식히고 가솔린과 탱크는 주변 공기의 온도에 따라 팽창합니다. 그러나 가솔린은 강철보다 훨씬 빨리 팽창하여 탱크에서 물방울이 떨어집니다..

가솔린과 연료가 들어있는 탱크 사이의 팽창의 차이는 연료량 표시기를 읽을 때 문제를 일으킬 수 있습니다. 표시기가 진공 수준에 도달 할 때 탱크에 남아있는 휘발유 (질량)의 양은 겨울보다 여름에 훨씬 적습니다.

가솔린은 경고등이 켜지면 양쪽 스테이션에서 동일한 양을 갖지만, 가솔린은 여름 동안 팽창하기 때문에 질량이 더 낮습니다.

예를 들어 60L 용량의 완전 스틸 가솔린 탱크로 간주 될 수 있습니다. 탱크와 가솔린의 온도가 15ºC 인 경우 온도가 35ºC에 도달하면 얼마만큼의 가스가 쏟아집니다.?

탱크와 가솔린은 온도 상승으로 인해 부피가 증가하지만 가솔린은 탱크보다 증가 할 것입니다. 그래서, 유출 된 가솔린은 당신의 볼륨 변화의 차이 일 것입니다. 용적 팽창 방정식을 사용하여 용적 변화를 계산할 수 있습니다.

온도 상승에 의해 쏟아지는 양은 다음과 같습니다.

이 3 개의 방정식을 하나로 결합하면 다음과 같이됩니다.

표 2로부터 체적 팽창 계수의 값이 얻어지며,

이 유출 된 가스의 양은 60L 탱크에 비해 상대적으로 중요하지 않지만, 휘발유 및 철강은 매우 빠르게 팽창하기 때문에 그 효과는 놀랍습니다.

서지

  1. 조 엔호, 테일러 R. 고온의 열팽창 ASM International, 1998.
  2. H. Ibach, 한스 루스 고체 물리 : 재료 과학의 원리 소개 Springer Science & Business Media, 2003.
  3. Halliday D., Resnick R., Krane K. 물리학, 볼륨 1. Wiley, 2001.
  4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett, 고전 물리학 Elsevier, 2013.
  5. Zemansky Mark W. 열 및 열역학. Editorial Aguilar, 1979.