Теплове розширення обсягу
Вивчітьтеплове лінійне розширення твердих тіл і газів у фізиці: як виглядає температурний коефіцієнт теплового розширення, ізотропні матеріали, формула.
При змінах температури речовини реагують у вигляді розширення або стиснення. Причому це відбувається у всіх напрямках.
Завдання навчання
- Порівняти вплив тиску на розширення газоподібних та твердих матеріалів.
Основні пункти
- Ізотропні речовини розширюються з однією швидкістю в усіх напрямках.
- У газі розширення ґрунтується на змінах тиску.
- У випадку з твердим тілом можна ігнорувати вплив тиску на матеріал, а коефіцієнт записується як Для ізотропних матеріалів: αV = 3αL.
- Ізотропний – властивості однакові у всіх напрямках.
- Коефіцієнт лінійного теплового розширення – дробова зміна довжини градус градуса температури.
Коефіцієнт об'ємного теплового розширення виступає головним показником у тепловому розширенні. При зміні температури речовини розширюються або стискуються, причому це відбувається у всіх напрямках. Подібне розширення називають ізотропним. Для таких матеріалів площа та лінійні коефіцієнти можуть вираховуватися за об'ємним коефіцієнтом.
Якщо температура зростає, то тіла розширюються у всіх напрямках. На кресленні суцільними лініями та розширеними кордонами з пунктирними лініями показані вихідні межі об'єктів. (a) – Площа збільшується, тому що зростає довжина та ширина. (b) – Якщо затвор видалити, отвір побільшає при підвищенні температурного показника. (с) – Також збільшиться і обсяг, тому що три виміри стали більшими
У математиці виражається як:
Індексp вказує на те, що під час розширення тиск залишається стабільним. Якщо стикаємося з газом, то не забувайте, що об'єм газу залежить від тиску та температури.
Для твердого тіла можна опустити вплив тиску:
(V – обсяг матеріалу, dV/dT – швидкість зміни обсягу із температурою).
Тобто обсяг матеріалу змінюється на певну фіксовану дробову величину. Наприклад, сталевий блок об'ємом 1 м 3 може збільшитися до 1.002 м 3 зі збільшенням температури на 50 °C (0.2%). Коефіцієнт об'ємного розширення становитиме 0,004% на градус Цельсія.
Зв'язок із лінійним коефіцієнтом теплового розширення
Для ізотропного матеріалу коефіцієнт лінійного теплового розширення становить 1/3 від об'ємного коефіцієнта. Щоб вивести співвідношення, візьмемо сталевий куб із довжиною сторін L. Вихідний об'єм – V = L 3 , а новий об'єм після підвищення температури:
V + ΔV = (L + ΔL) 3 = L 3 + 3L 2 ΔL + 3L (ΔL) 2 + (ΔL) 3 ≈ L 3 + 3L 2 ΔL = V + 3V .
Апроксимація виконується для досить малого ΔL порівняно з L. Оскільки: