Home » Articole » Articole » Știință » Fizica » Termodinamica » Căldura » Expansiunea termică

Expansiunea termică

Expansiunea alcoolului într-un termometru este unul dintre multele exemple întâlnite frecvent de expansiune termică, care este modificarea dimensiunii sau volumului unui sistem dat pe măsură ce temperatura acestuia se schimbă. Cel mai vizibil exemplu este expansiunea aerului cald. Când aerul este încălzit, acesta se extinde și devine mai puțin dens decât aerul din jur, care apoi exercită o forță (în sus) asupra aerului fierbinte și face ca aburul și fumul să se ridice, să plutească baloanele cu aer cald și așa mai departe. Același comportament se întâmplă în toate lichidele și gazele, conducând transferul natural de căldură în sus în case, oceane și sisteme meteorologice, așa cum vom discuta într-o secțiune următoare. Solidele suferă, de asemenea, expansiune termică. Căile ferate și podurile, de exemplu, au rosturi de dilatație pentru a le permite să se extindă și să se contracte liber la schimbările de temperatură, așa cum se arată în Figura 1.5.

Podul Auckland Harbour din Noua Zeelandă
Credit: modificarea lucrărilor lui„ŠJů”/Wikimedia Commons, licența CC BY 4.0

Figura 1.5 (a) Rosturile de dilatare termică ca acestea din (b) Podul Auckland Harbour din Noua Zeelandă permit podurilor să își schimbe lungimea fără flambaj. (Credit: modificarea lucrărilor lui„ŠJů”/Wikimedia Commons, licența CC BY 4.0)

Care este cauza de bază a expansiunii termice? După cum sa menționat anterior, o creștere a temperaturii înseamnă o creștere a energiei cinetice a atomilor individuali. Într-un solid, spre deosebire de un gaz, moleculele sunt menținute în loc de forțele moleculelor învecinate; după cum am văzut în Oscilații, forțele pot fi modelate ca în arcurile armonice descrise de potențialul Lennard-Jones. Energia în mișcarea armonică simplă arată că astfel de potențiale sunt asimetrice prin aceea că energia potențială crește mai abrupt atunci când moleculele se apropie una de cealaltă decât atunci când se îndepărtează. Astfel, la o energie cinetică dată, distanța deplasată este mai mare atunci când vecinii se îndepărtează unul de celălalt decât atunci când se deplasează unul spre celălalt. Rezultatul este că energia cinetică crescută (creșterea temperaturii) crește distanța medie dintre molecule – substanța se extinde.

Pentru majoritatea substanțelor în condiții obișnuite, este o aproximare excelentă faptul că nu există o direcție preferată (adică solidul este „izotrop”), iar o creștere a temperaturii crește dimensiunea solidului cu o anumită fracțiune în fiecare dimensiune. Prin urmare, dacă solidul este liber să se extindă sau să se contracte, proporțiile sale rămân aceleași; doar dimensiunea sa totală se modifică.

EXPANSIUNEA TERMICĂ LINIARĂ

Conform experimentelor, dependența expansiunii termice de temperatură, substanță și lungimea inițială este rezumată în ecuația

(1.1)   dL/dT = αL

unde dL/dT este modificarea instantanee a lungimii pe temperatură, L este lungimea și α este coeficientul de dilatare liniară, o proprietate a materialului care variază ușor cu temperatura. Deoarece α este aproape constant și, de asemenea, foarte mic, în scopuri practice, folosim aproximarea liniară:

(1.2)   ΔL = αLΔT

unde ΔL este modificarea lungimii și ΔT este modificarea temperaturii.

 

Tabelul 1.2 enumeră valorile reprezentative ale coeficientului de dilatare liniară. După cum sa menționat mai devreme, ΔT este același indiferent dacă este exprimat în unități de grade Celsius sau kelvin; astfel, α poate avea unități de 1/°C sau 1/K cu aceeași valoare în ambele cazuri. Aproximarea α ca o constantă este destul de precisă pentru schimbări mici de temperatură și suficientă pentru majoritatea scopurilor practice, chiar și pentru schimbări mari de temperatură. Examinăm această aproximare mai atent în exemplul următor

Material Coeficient de dilatare liniară α(1/°C) Coeficient de dilatare volumică β(1/°C)
Solide
Aluminiu 25×10−6 75×10−6
Alamă 19×10−6 56×10−6
Cupru 17×10−6 51×10−6
Aur 14×10−6 42×10−6
Fier sau oțel 12×10−6 35×10−6
Invar (aliaj nichel-fier) 0.9×10−6 2.7×10−6
Plumb 29×10−6 87×10−6
Argint 18×10−6 54×10−6
Sticlă (obișnuită) 9×10−6 27×10−6
Sticlă (Pyrex®) 3×10−6 9×10−6
Cuarț 0.4×10−6 1×10−6
Beton, cărămidă (aproximativ) 12×10−6 36×10−6
Marmură (în medie) 2.5×10−6 7.5×10−6
Lichide
Eter 1650×10−6
Alcool etilic 1100×10−6
Gazolină 950×10−6
Glicerină 500×10−6
Mercur 180×10−6
Apa 210×10−6
Gaze
Aerul și majoritatea celorlalte gaze la presiunea atmosferică 3400×10−6

Tabelul 1.2 Coeficienții de dilatare termică

Dilatarea termică este exploatată în banda bimetalică (Figura 1.6). Acest dispozitiv poate fi folosit ca termometru dacă banda curbată este atașată la un indicator pe o scară. De asemenea, poate fi folosit pentru a închide sau deschide automat un întrerupător la o anumită temperatură, ca la termostate mai vechi sau analogice.

Curbura unei benzi bimetalice

Figura 1.6 Curbura unei benzi bimetalice depinde de temperatură. (a) Banda este dreaptă la temperatura de pornire, unde cele două componente ale sale au aceeași lungime. (b) La o temperatură mai mare, această bandă se îndoaie spre dreapta, deoarece metalul din stânga s-a extins mai mult decât metalul din dreapta. La o temperatură mai scăzută, banda s-ar îndoi spre stânga.

EXEMPLUL 1.2

Calcularea dilatației termice liniare

Lungimea principală a podului Golden Gate din San Francisco are o valoare de 1275 m la cea mai rece temperatură. Podul este expus la temperaturi cuprinse între –15 °C și 40 °C. Care este schimbarea sa în lungime între aceste temperaturi? Să presupunem că podul este realizat în întregime din oțel.

Strategie

Utilizați ecuația pentru dilatarea termică liniară ΔL = αLΔT pentru a calcula modificarea lungimii, ΔL. Utilizați coeficientul de dilatare liniară α pentru oțel din tabelul 1.2 și rețineți că modificarea temperaturii ΔT este de 55 °C.

Soluție

Înlocuiți toate valorile cunoscute în ecuație pentru a rezolva ΔL:

ΔL = αLΔT = (12 × 10−6 °C)(1275 m)(55 °C) = 0,84 m.

Semnificație

Deși nu este mare în comparație cu lungimea podului, această modificare a lungimii este observabilă. În general, este răspândit pe mai multe rosturi de dilatație, astfel încât dilatarea la fiecare îmbinare este mică.

Sursa: University Physics (OpenStax), acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere de Nicolae Sfetcu. © 2024 MultiMedia Publishing, Fizica, Vol. 1-3

Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 2
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 2

Descoperă universul fizicii printr-o perspectivă fenomenologică captivantă!

Nu a fost votat 47.84 lei167.60 lei Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.
Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 1
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1

O explorare cuprinzătoare a fizicii, combinând perspective teoretice cu fenomene din lumea reală.

Nu a fost votat 47.84 lei167.60 lei Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.
Căldura - Termodinamica fenomenologică
Căldura – Termodinamica fenomenologică

O incursiune profundă în lumea fascinantă a termodinamicii, explorând conceptele fundamentale ale căldurii și temperaturii.

Nu a fost votat 19.11 lei Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.

  1. ion adrian
    |

    Interesanta este apa(H2O) care isi mareste volumul cand inghiata si poate astfel permitand viata pe Terra

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *