MI A TÉRFOGATI DILATÁCIÓ? (PÉLDÁKKAL) - FIZIKAI - 2026

A térfogatnövelés egy fizikai jelenség, amely magában foglalja a test három dimenziójának megváltozását. A legtöbb anyag térfogata vagy méretei növekednek, ha hőnek vannak kitéve; Ez egy hőtágulásnak nevezett jelenség, azonban vannak olyan anyagok is, amelyek hevítés közben összehúzódnak.

Noha a térfogatváltozás a szilárd anyagok esetében viszonylag kicsi, technikai szempontból nagy jelentőséggel bírnak, különösen olyan helyzetekben, amikor kívánatos az eltérő módon terjedő anyagok összekapcsolása.

Egyes szilárd anyagok alakja melegítéskor torzul, és bizonyos irányokban tágulhat, másokban összehúzódhat. Ha azonban csak bizonyos méretekben tágulás mutatkozik, akkor az ilyen kiterjesztések osztályozása megtörténik:

• Lineáris dilatáció akkor fordul elő, amikor egy adott méret variációja uralkodik, például a test hossza, szélessége vagy magassága.
• A felületi dilatáció az, ahol a három dimenzió közül kettőben az ingadozás dominál.
• Végül, a térfogati dilatáció a test három dimenziójának változását vonja maga után.

A hőtágulással kapcsolatos alapvető fogalmak

Hőenergia

Az anyag atomokból áll, amelyek folyamatos mozgásban vannak, mozgó vagy rezgő. A kinetikai (vagy mozgási) energiát, amellyel az atomok mozognak, hőenergiának nevezzük, minél gyorsabban mozognak, annál több hőenergiájuk van.

Forró

A hő az a hőenergia, amely két vagy több anyag között, vagy az anyag egyik részéről a másikra átadódik makroszkopikus skálán. Ez azt jelenti, hogy a forró test feladhatja hőenergiájának egy részét, és befolyásolhatja egy ahhoz közeli testet.

Az átadott hőenergia mennyisége a közeli test természetétől és az elválasztó környezettől függ.

Hőfok

A hőmérséklet fogalma alapvető fontosságú a hő hatásainak tanulmányozásához; egy test hőmérséklete annak a képessége, amely képes hőt más testre átadni.

Két kölcsönösen érintkező vagy egy megfelelő közeggel (hővezetővel) elválasztott test ugyanazon a hőmérsékleten lesz, ha közöttük nincs hőáramlás. Hasonlóképpen, az X test magasabb hőmérsékleten lesz, mint az Y test, ha hő áramlik X-ből Y-be.

Melyek a hőtágulás alapvető tulajdonságai?

Ez egyértelműen kapcsolódik a hőmérséklet változásához, minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb a tágulás. Ez az anyag belső szerkezetétől is függ, egy hőmérőben a higany tágulása sokkal nagyobb, mint az azt tartalmazó üveg tágulása.

Mi a hőtágulás alapvető oka?

A hőmérséklet növekedése azt jelenti, hogy megnő az anyag egyes atomjai kinetikus energiája. Szilárd anyagban, eltérően a gázoktól, az atomok vagy molekulák szorosan egymással vannak, de kinetikus energiájuk (kis, gyors rezgések formájában) elválasztja az atomokat vagy molekulákat egymástól.

Ez a szomszédos atomok közötti különbség egyre nagyobb lesz, és a szilárd anyag méretének növekedését eredményezi.

A legtöbb anyag számára szokásos körülmények között nincs olyan előnyös irány, amelyben a hőtágulás megtörténik, és a hőmérséklet növekedése megnöveli a szilárd anyag méretét egy-egy bizonyos frakcióval minden dimenzióban.

Lineáris tágulás

A tágítás legegyszerűbb példája az egy (lineáris) dimenzióban történő expanzió. Kísérletileg azt találták, hogy egy anyag hosszának ΔL változása arányos az ΔT hőmérséklet és a kezdeti hosszúság Lo változásával (1. ábra). Ezt a következő módon reprezentálhatjuk:

DL = aLoDT

ahol α az arányosság koefficiense, amelyet a lineáris tágulási együtthatónak neveznek, és az az egyes anyagokra jellemző. Ennek az együtthatónak néhány értékét az A. táblázat mutatja.

Azoknál az anyagoknál, amelyek hőmérséklete megemelkedik, a lineáris tágulási együttható magasabb, ha az egyes Celsius-fokoknál nagyobb tágulást tapasztalnak.

Felületes tágulás

Ha egy síkot vesz fel egy szilárd testben, úgy, hogy ezen a síkon megy keresztül a hőtágulás (2. ábra), akkor az ΔA terület változását a következő érték adja meg:

DA = 2aA0

ahol ΔA az Ao kezdeti terület változása, T a hőmérséklet változása és α a lineáris tágulási együttható.

Térfogati dilatáció

Az előző esetekhez hasonlóan az ΔV térfogatváltozása a kapcsolathoz közelíthető (3. ábra). Ezt az egyenletet általában a következőképpen írják:

DV = bVoDT

ahol β a térfogati tágulási együttható és megközelítőleg egyenlő 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2-vel, akkor néhány anyag térfogati tágulási együtthatóinak értékeit mutatjuk be.

Általában az anyagok növekedni fognak a hőmérséklet emelkedésével, ennek a szabálynak a legfontosabb kivétele a víz. A víz tágul, ha hőmérséklete megemelkedik, ha 4ºC-nál magasabb.

Azonban az is tágul, ha hőmérséklete 4 ° C és 0 ° C között csökken. Ez a hatás megfigyelhető, amikor a vizet hűtőszekrénybe helyezik, a víz tágul, amikor lefagy, és ezt a tágulást nehéz eltávolítani a jégtartályból.

Példák

A térfogati expanzió különbségei érdekes hatásokhoz vezethetnek egy benzinkútnál. Példa erre a benzin csöpögése egy tartályba, amelyet éppen egy forró napon töltöttek fel.

A benzin lehűti az acéltartályt, amikor öntik, és mind a benzin, mind a tartály a környező levegő hőmérsékletével bővül. A benzin azonban sokkal gyorsabban terjed ki, mint az acél, és így kiszivároghat a tartályból.

A benzin és az azt tartalmazó tartály közötti tágulási különbség problémákat okozhat az üzemanyagszintmérő leolvasásakor. A tartályban maradó benzinmennyiség (tömeg), amikor a mérőeszköz üres, nyáron sokkal kevesebb, mint télen.

A benzin ugyanolyan térfogatú mindkét állomáson, amikor a figyelmeztető lámpa kigyullad, de mivel a benzin nyáron tágul, alacsonyabb tömegű.

Példaként megemlítheti a 60L űrtartalmú, teljes acéltartályt. Ha a tartály és a benzin hőmérséklete 15ºC, mennyi benzint ömlött ki, amikor eléri a 35ºC hőmérsékletet?

A tartály és a benzin térfogata növekszik a hőmérséklet emelkedése miatt, de a benzin nagyobb lesz, mint a tartályé. Tehát a kiömlött benzin lesz a különbség a mennyiség változásában. A térfogat-bővítési egyenlet ezután felhasználható a térfogatváltozások kiszámítására:

A hőmérséklet-emelkedés következtében a következő mennyiség:

E három egyenletet egyben kombinálva:

A 2. táblázatból a térfogat-tágulási együttható értékét kapjuk, az alábbi értékek helyettesítésével:

Bár a kiömlött benzin mennyisége viszonylag jelentéktelen egy 60 literes tartályhoz képest, a hatás meglepő, mivel a benzin és az acél nagyon gyorsan terjed.

Bibliográfia

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Szilárd anyagok hőtágulása ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Szilárdtestfizika: Bevezetés az anyagtudomány alapelveibe Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, 1. kötet. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett A klasszikus fizika elemei, Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Hő és termodinamika. Szerkesztő Aguilar, 1979.