การขยายตัวทางความร้อน: ค่าสัมประสิทธิ์ประเภทและแบบฝึกหัด - กายภาพ - 2026

การขยายตัวทางความร้อนเพิ่มขึ้นหรือการเปลี่ยนแปลงของขนาดเมตริกต่างๆ (เช่นความยาวหรือปริมาตร) ที่ผ่านวัตถุหรือร่างกายทางกายภาพ กระบวนการนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิโดยรอบวัสดุ ในกรณีของการขยายเชิงเส้นการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เกิดขึ้นในมิติเดียวเท่านั้น

ค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวนี้สามารถวัดได้โดยการเปรียบเทียบค่าของขนาดก่อนและหลังกระบวนการ วัสดุบางชนิดมีอาการตรงกันข้ามกับการขยายตัวทางความร้อน นั่นคือมันกลายเป็น "เชิงลบ" แนวคิดนี้เสนอว่าวัสดุบางชนิดจะหดตัวเมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิที่แน่นอน

การขยายตัวทางความร้อนในน้ำ

สำหรับของแข็งจะใช้ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นเพื่ออธิบายการขยายตัว ในทางกลับกันสำหรับของเหลวจะใช้สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงปริมาตรในการคำนวณ

ในกรณีของของแข็งที่ตกผลึกถ้ามีมิติเท่ากันการขยายตัวจะเป็นแบบทั่วไปในทุกมิติของคริสตัล หากไม่ใช่ภาพสามมิติจะพบค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวที่แตกต่างกันได้ทั่วทั้งแก้วและจะเปลี่ยนขนาดเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (Y) หมายถึงรัศมีของการเปลี่ยนแปลงที่วัสดุเคลื่อนผ่านเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ค่าสัมประสิทธิ์นี้แสดงด้วยสัญลักษณ์αสำหรับของแข็งและβสำหรับของเหลวและได้รับคำแนะนำจาก International System of Units

ค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวทางความร้อนแตกต่างกันไปเมื่อเป็นของแข็งของเหลวหรือก๊าซ แต่ละคนมีความไม่ชอบมาพากลที่แตกต่างกัน

ตัวอย่างเช่นการขยายตัวของของแข็งสามารถมองเห็นได้ตามความยาว ค่าสัมประสิทธิ์เชิงปริมาตรเป็นค่าพื้นฐานที่สุดอย่างหนึ่งในแง่ของของเหลวและการเปลี่ยนแปลงมีความโดดเด่นในทุกทิศทาง ค่าสัมประสิทธิ์นี้ยังใช้เมื่อคำนวณการขยายตัวของก๊าซ

การขยายตัวทางความร้อนเชิงลบ

การขยายตัวทางความร้อนเชิงลบเกิดขึ้นในวัสดุบางชนิดที่แทนที่จะเพิ่มขนาดด้วยอุณหภูมิสูงจะหดตัวเนื่องจากอุณหภูมิต่ำ

การขยายตัวทางความร้อนประเภทนี้มักพบในระบบเปิดซึ่งจะสังเกตเห็นปฏิกิริยาระหว่างทิศทางเช่นในกรณีของน้ำแข็งหรือในสารประกอบเชิงซ้อน - เกิดขึ้นกับซีโอไลต์ Cu2O และอื่น ๆ

ในทำนองเดียวกันงานวิจัยบางชิ้นแสดงให้เห็นว่าการขยายตัวทางความร้อนเชิงลบยังเกิดขึ้นในโครงร่างส่วนประกอบเดียวในรูปแบบกะทัดรัดและด้วยปฏิสัมพันธ์ของแรงกลาง

ตัวอย่างที่ชัดเจนของการขยายตัวทางความร้อนเชิงลบสามารถเห็นได้เมื่อเราเติมน้ำแข็งลงในแก้วน้ำ ในกรณีนี้อุณหภูมิสูงของของเหลวบนน้ำแข็งไม่ได้ทำให้ขนาดเพิ่มขึ้น แต่จะทำให้ขนาดของน้ำแข็งลดลง

ประเภท

เมื่อคำนวณการขยายตัวของวัตถุทางกายภาพจะต้องพิจารณาว่าวัตถุดังกล่าวสามารถเพิ่มหรือหดตัวได้ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

วัตถุบางอย่างไม่ต้องการการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรงเพื่อเปลี่ยนขนาดดังนั้นจึงมีแนวโน้มว่าค่าที่คำนวณกลับมาจะเป็นค่าเฉลี่ย

เช่นเดียวกับกระบวนการใด ๆ การขยายตัวทางความร้อนแบ่งออกเป็นหลายประเภทซึ่งอธิบายปรากฏการณ์แต่ละอย่างแยกกัน ในกรณีของของแข็งประเภทของการขยายตัวทางความร้อน ได้แก่ การขยายตัวเชิงเส้นการขยายตัวเชิงปริมาตรและการขยายตัวของพื้นผิว

การขยายตัวเชิงเส้น

รูปแบบเดียวมีอิทธิพลเหนือการขยายเชิงเส้น ในกรณีนี้หน่วยเดียวที่เปลี่ยนแปลงคือความสูงหรือความกว้างของวัตถุ

วิธีง่ายๆในการคำนวณการขยายประเภทนี้คือการเปรียบเทียบค่าของขนาดก่อนการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิกับค่าของขนาดหลังจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

การขยายปริมาตร

ในกรณีของการขยายตัวตามปริมาตรวิธีคำนวณคือการเปรียบเทียบปริมาตรของของเหลวก่อนการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิกับปริมาตรของของเหลวหลังการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ สูตรในการคำนวณคือ:

การขยายพื้นผิวหรือพื้นที่

ในกรณีของการขยายพื้นผิวจะสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ของร่างกายหรือวัตถุเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่ 1 ° C

การขยายตัวนี้ใช้ได้กับของแข็ง ถ้าเรามีค่าสัมประสิทธิ์เชิงเส้นเราจะเห็นว่าขนาดของวัตถุจะใหญ่ขึ้น 2 เท่า สูตรในการคำนวณคือ:

ก_f = A ₀

ในนิพจน์นี้:

γ = สัมประสิทธิ์ของการขยายพื้นที่

A ₀ = พื้นที่เริ่มต้น

A _f = พื้นที่สุดท้าย

T ₀ = อุณหภูมิเริ่มต้น

T _f = อุณหภูมิสุดท้าย

ความแตกต่างระหว่างการขยายพื้นที่และการขยายเชิงเส้นคือในครั้งแรกคุณจะเห็นการเปลี่ยนแปลงของการเพิ่มขึ้นในพื้นที่ของวัตถุและในครั้งที่สองการเปลี่ยนแปลงเป็นการวัดหน่วยเดียว (เช่นความยาวหรือ ความกว้างของวัตถุทางกายภาพ)

ตัวอย่าง

การออกกำลังกายครั้งแรก (การขยายเชิงเส้น)

รางที่ประกอบเป็นรางรถไฟที่ทำจากเหล็กมีความยาว 1,500 ม. ลองจิจูดจะเป็นอย่างไรเมื่ออุณหภูมิอยู่ระหว่าง 24 ถึง 45 ° C?

สารละลาย

ข้อมูล:

Lο (ความยาวเริ่มต้น) = 1500 ม

L _f (ความยาวสุดท้าย) =?

Tο (อุณหภูมิเริ่มต้น) = 24 ° C

T _f (อุณหภูมิสุดท้าย) = 45 ° C

α (ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นที่สอดคล้องกับเหล็ก) = 11 x 10 ^-6 ° C ^-1

ข้อมูลจะถูกแทนที่ด้วยสูตรต่อไปนี้:

อย่างไรก็ตามคุณต้องทราบค่าของความแตกต่างของอุณหภูมิก่อนจึงจะรวมข้อมูลนี้ไว้ในสมการได้ เพื่อให้ได้ความแตกต่างนี้อุณหภูมิสูงสุดจะต้องถูกลบออกจากค่าต่ำสุด

Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C

เมื่อทราบข้อมูลนี้แล้วคุณสามารถใช้สูตรก่อนหน้านี้ได้:

Lf = 1500 ม. (1 + 21 ° C 11 x 10 ^-6 ° C ^-1 )

Lf = 1500 ม. (1 + 2.31 x 10 ^-4 )

Lf = 1500 ม. (1,000231)

Lf = 1500.3465 ม

การออกกำลังกายครั้งที่สอง (การขยายผิวเผิน)

ในโรงเรียนมัธยมร้านขายแก้วมีพื้นที่ 1.4 ม. ^ 2 ถ้าอุณหภูมิ 21 ° C พื้นที่สุดท้ายของมันจะเป็นอย่างไรเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็น 35 ° C?

สารละลาย

Af = A0

Af = 1.4 ม. ² 204.4 x 10 ^-6 ]

Af = 1.4 ม2 1,0002044

Af = 1.40028616 ม²

ทำไมการขยายตัวจึงเกิดขึ้น?

ทุกคนรู้ดีว่าวัสดุทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาคย่อยต่างๆ โดยการปรับเปลี่ยนอุณหภูมิไม่ว่าจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงอะตอมเหล่านี้จะเริ่มกระบวนการเคลื่อนที่ที่สามารถปรับเปลี่ยนรูปร่างของวัตถุได้

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นโมเลกุลจะเริ่มเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของพลังงานจลน์ดังนั้นรูปร่างหรือปริมาตรของวัตถุจะเพิ่มขึ้น

ในกรณีของอุณหภูมิติดลบสิ่งที่ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นในกรณีนี้ปริมาตรของวัตถุมีแนวโน้มที่จะหดตัวเนื่องจากอุณหภูมิต่ำ

อ้างอิง

1. Linear, Superficial และ Volumetric Dilation - แบบฝึกหัด ได้รับการแก้ไขกู้คืนเมื่อวันที่ 8 พฤษภาคม 2018 จาก Fisimat: fisimat.com.mx
2. การขยายตัวแบบผิวเผิน - แบบฝึกหัดที่ได้รับการแก้ไข สืบค้นเมื่อวันที่ 8 พฤษภาคม 2018 จาก Fisimat: fisimat.com.mx
3. การขยายตัวทางความร้อน สืบค้นเมื่อวันที่ 8 พฤษภาคม 2018 จากEncyclopædia Britannica: britannica.com
4. การขยายตัวทางความร้อน สืบค้นเมื่อวันที่ 8 พฤษภาคม 2018 จาก Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. การขยายตัวทางความร้อน สืบค้นเมื่อวันที่ 8 พฤษภาคม 2018 จาก Lumen Learning: courses.lumenlearning.com
6. การขยายตัวทางความร้อน สืบค้นเมื่อวันที่ 8 พฤษภาคม 2018 จาก The Physics Hypertextbook: physics.info
7. การขยายตัวทางความร้อน สืบค้นเมื่อวันที่ 8 พฤษภาคม 2018 จาก Wikipedia: en.wikipedia.org.