- แนวคิดพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับการขยายตัวทางความร้อน
- พลังงานความร้อน
- ร้อน
- อุณหภูมิ
- คุณสมบัติพื้นฐานของการขยายตัวทางความร้อนคืออะไร?
- สาเหตุพื้นฐานของการขยายตัวทางความร้อนคืออะไร?
- การขยายตัวเชิงเส้น
- การขยายผิวเผิน
- การขยายปริมาตร
- ตัวอย่าง
- บรรณานุกรม
การขยายตัวของปริมาตรเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในสามมิติของร่างกาย ปริมาตรหรือขนาดของสารส่วนใหญ่จะเพิ่มขึ้นเมื่ออยู่ภายใต้ความร้อน นี่เป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการขยายตัวทางความร้อนอย่างไรก็ตามยังมีสารที่หดตัวเมื่อถูกความร้อน
แม้ว่าการเปลี่ยนแปลงปริมาตรจะค่อนข้างน้อยสำหรับของแข็ง แต่ก็มีความสำคัญทางเทคนิคอย่างมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานการณ์ที่ต้องการรวมวัสดุที่ขยายตัวแตกต่างกัน
รูปร่างของของแข็งบางส่วนบิดเบี้ยวเมื่อได้รับความร้อนและสามารถขยายตัวได้ในบางทิศทางและหดตัวในลักษณะอื่น อย่างไรก็ตามเมื่อมีการขยายในบางมิติเท่านั้นจึงมีการจัดประเภทสำหรับการขยายดังกล่าว:
- การขยายตัวเชิงเส้นเกิดขึ้นเมื่อการเปลี่ยนแปลงในมิติใดมิติหนึ่งมีผลเหนือกว่าเช่นความยาวความกว้างหรือความสูงของร่างกาย
- การขยายพื้นผิวเป็นสิ่งหนึ่งที่การเปลี่ยนแปลงของสองในสามมิติมีผลเหนือกว่า
- ในที่สุดการขยายปริมาตรหมายถึงการเปลี่ยนแปลงในสามมิติของร่างกาย
แนวคิดพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับการขยายตัวทางความร้อน
พลังงานความร้อน
สสารประกอบด้วยอะตอมที่เคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องไม่ว่าจะเคลื่อนที่หรือสั่น พลังงานจลน์ (หรือการเคลื่อนที่) ที่อะตอมเคลื่อนที่เรียกว่าพลังงานความร้อนยิ่งเคลื่อนที่เร็วเท่าไหร่พลังงานความร้อนก็ยิ่งมีมากขึ้นเท่านั้น
ร้อน
ความร้อนคือพลังงานความร้อนที่ถ่ายโอนระหว่างสารตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปหรือจากส่วนหนึ่งไปยังอีกส่วนหนึ่งในระดับมหภาค ซึ่งหมายความว่าร่างกายที่ร้อนจะยอมทิ้งพลังงานความร้อนส่วนหนึ่งและส่งผลกระทบต่อร่างกายที่อยู่ใกล้ ๆ
ปริมาณพลังงานความร้อนที่ถ่ายโอนขึ้นอยู่กับลักษณะของร่างกายที่อยู่ใกล้เคียงและสภาพแวดล้อมที่แยกพวกมันออก
อุณหภูมิ
แนวคิดเรื่องอุณหภูมิเป็นพื้นฐานในการศึกษาผลกระทบของความร้อนอุณหภูมิของร่างกายคือตัวชี้วัดความสามารถในการถ่ายเทความร้อนไปยังร่างกายอื่น ๆ
วัตถุสองชิ้นที่สัมผัสกันหรือถูกคั่นด้วยตัวกลางที่เหมาะสม (ตัวนำความร้อน) จะอยู่ที่อุณหภูมิเดียวกันหากไม่มีการไหลของความร้อนระหว่างกัน ในทำนองเดียวกันร่างกาย X จะมีอุณหภูมิสูงกว่าร่างกาย Y ถ้าความร้อนไหลจาก X ไปยัง Y
คุณสมบัติพื้นฐานของการขยายตัวทางความร้อนคืออะไร?
มีความเกี่ยวข้องอย่างชัดเจนกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอุณหภูมิที่สูงขึ้นการขยายตัวก็จะมากขึ้น นอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับโครงสร้างภายในของวัสดุด้วยในเทอร์โมมิเตอร์การขยายตัวของปรอทนั้นมากกว่าการขยายตัวของแก้วที่บรรจุอยู่
สาเหตุพื้นฐานของการขยายตัวทางความร้อนคืออะไร?
การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิหมายถึงการเพิ่มขึ้นของพลังงานจลน์ของอะตอมแต่ละตัวในสาร ในของแข็งซึ่งแตกต่างจากแก๊สอะตอมหรือโมเลกุลจะอยู่ด้วยกันอย่างใกล้ชิด แต่พลังงานจลน์ของพวกมัน (ในรูปของการสั่นสะเทือนขนาดเล็กและรวดเร็ว) จะแยกอะตอมหรือโมเลกุลออกจากกัน
การแยกระหว่างอะตอมใกล้เคียงนี้จะมีค่ามากขึ้นเรื่อย ๆ และส่งผลให้ขนาดของของแข็งเพิ่มขึ้น
สำหรับสารส่วนใหญ่ภายใต้สภาวะปกติไม่มีทิศทางที่ต้องการในการขยายตัวทางความร้อนและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ขนาดของของแข็งเพิ่มขึ้นตามเศษส่วนที่แน่นอนในแต่ละมิติ
การขยายตัวเชิงเส้น
ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของการขยายคือการขยายในมิติเดียว (เชิงเส้น) จากการทดลองพบว่าการเปลี่ยนแปลงความยาวΔLของสารเป็นสัดส่วนกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิΔTและความยาวเริ่มต้น Lo (รูปที่ 1) เราสามารถแสดงสิ่งนี้ได้ด้วยวิธีต่อไปนี้:
DL = aLoDT
โดยที่αเป็นค่าสัมประสิทธิ์ของสัดส่วนที่เรียกว่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเชิงเส้นและเป็นลักษณะเฉพาะของวัสดุแต่ละชนิด ค่าบางค่าของสัมประสิทธิ์นี้แสดงในตาราง A
ค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเชิงเส้นจะสูงกว่าสำหรับวัสดุที่มีการขยายตัวมากขึ้นสำหรับแต่ละองศาเซลเซียสที่อุณหภูมิสูงขึ้น
การขยายผิวเผิน
เมื่อนำระนาบภายในตัวแข็งเพื่อให้ระนาบนี้เป็นระนาบที่ผ่านการขยายตัวทางความร้อน (รูปที่ 2) การเปลี่ยนแปลงของพื้นที่ΔAจะได้รับจาก:
DA = 2aA0
โดยที่ΔAคือการเปลี่ยนแปลงของพื้นที่เริ่มต้น Ao, Tคือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและαคือสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเชิงเส้น
การขยายปริมาตร
เช่นเดียวกับในกรณีก่อนหน้าการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรΔVสามารถประมาณได้กับความสัมพันธ์ (รูปที่ 3) โดยปกติสมการนี้จะเขียนได้ดังนี้:
DV = bVoDT
โดยที่βคือสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเชิงปริมาตรและมีค่าประมาณเท่ากับ 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2 จะแสดงค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเชิงปริมาตรสำหรับวัสดุบางชนิด
โดยทั่วไปสารจะขยายตัวภายใต้อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นน้ำเป็นข้อยกเว้นที่สำคัญที่สุดของกฎนี้ น้ำจะขยายตัวเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นเมื่อมากกว่า4ºC
อย่างไรก็ตามมันยังขยายตัวเมื่ออุณหภูมิลดลงในช่วง 4 ° C ถึง 0 ° C ผลกระทบนี้สามารถสังเกตได้เมื่อใส่น้ำเข้าไปในตู้เย็นน้ำจะขยายตัวเมื่อแข็งตัวและยากที่จะเอาน้ำแข็งออกจากภาชนะเนื่องจากการขยายตัวนี้
ตัวอย่าง
ความแตกต่างของการขยายตัวเชิงปริมาตรสามารถนำไปสู่ผลกระทบที่น่าสนใจที่ปั๊มน้ำมัน ตัวอย่างเช่นน้ำมันเบนซินที่หยดลงในถังที่เพิ่งเติมในวันที่อากาศร้อนจัด
น้ำมันเบนซินจะทำให้ถังเหล็กเย็นลงเมื่อมีการเทและทั้งน้ำมันเบนซินและถังจะขยายตัวตามอุณหภูมิของอากาศโดยรอบ อย่างไรก็ตามน้ำมันเบนซินขยายตัวเร็วกว่าเหล็กมากทำให้รั่วออกจากถัง
ความแตกต่างของการขยายตัวระหว่างน้ำมันเบนซินและถังที่บรรจุอาจทำให้เกิดปัญหาเมื่ออ่านมาตรวัดระดับน้ำมันเชื้อเพลิง ปริมาณน้ำมันเบนซิน (มวล) ที่เหลืออยู่ในถังเมื่อมาตรวัดว่างเปล่าจะน้อยกว่าในฤดูร้อนมากกว่าในฤดูหนาว
น้ำมันเบนซินมีปริมาตรเท่ากันในทั้งสองสถานีเมื่อไฟเตือนติดขึ้น แต่เนื่องจากน้ำมันเบนซินขยายตัวในช่วงฤดูร้อนจึงมีมวลน้อยกว่า
ตัวอย่างเช่นคุณสามารถพิจารณาถังแก๊สเหล็กเต็มความจุ 60L ถ้าอุณหภูมิของถังและน้ำมันเบนซินเท่ากับ15ºCน้ำมันเบนซินจะหกเท่าไหร่เมื่อถึงอุณหภูมิ35ºC?
ถังและน้ำมันเบนซินจะมีปริมาตรเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น แต่น้ำมันเบนซินจะเพิ่มขึ้นมากกว่าถัง ดังนั้นน้ำมันเบนซินที่หกจะเป็นส่วนต่างของการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของคุณ จากนั้นสามารถใช้สมการการขยายตัวเชิงปริมาตรเพื่อคำนวณการเปลี่ยนแปลงปริมาตร:
ปริมาตรที่รั่วไหลจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิคือ:
การรวม 3 สมการนี้เข้าด้วยกันเรามี:
จากตารางที่ 2 ค่าของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงปริมาตรจะได้รับค่าทดแทน:
แม้ว่าน้ำมันเบนซินที่หกในปริมาณนี้จะค่อนข้างน้อยมากเมื่อเทียบกับถังขนาด 60 ลิตร แต่ผลที่ตามมาก็น่าประหลาดใจเนื่องจากน้ำมันเบนซินและเหล็กขยายตัวเร็วมาก
บรรณานุกรม
- Yen Ho Cho, Taylor R. การขยายตัวทางความร้อนของของแข็ง ASM International, 1998
- H. Ibach, Hans Lüth Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Material Science Springer Science & Business Media, 2003
- Halliday D. , Resnick R. , Krane K. ฟิสิกส์เล่ม 1 Wiley, 2001
- Martin C. Martin, Charles A. Hewett องค์ประกอบของฟิสิกส์คลาสสิก Elsevier, 2013
- Zemansky Mark W. ความร้อนและอุณหพลศาสตร์. กองบรรณาธิการ Aguilar, 1979