ما هو التمدد الحجمي؟ (مع أمثلة)

التمدد الحجمي هو ظاهرة فيزيائية تنطوي على تباين في الأبعاد الثلاثة للجسم. يزداد حجم أو أبعاد معظم المواد عند تعرضها للحرارة ؛ هذه ظاهرة معروفة باسم التمدد الحراري ، ولكن هناك أيضًا مواد تتقلص عند تسخينها.

على الرغم من أن التغييرات في الحجم صغيرة نسبيًا بالنسبة للمواد الصلبة ، إلا أنها ذات أهمية تقنية كبيرة ، لا سيما في المواقف التي يتم فيها ربط المواد التي تتوسع بشكل مختلف.

يعاني شكل بعض المواد الصلبة من تشويه عند تسخينه ويمكن أن يتوسع في بعض الاتجاهات وينقسم في مناطق أخرى. ومع ذلك ، عندما يكون هناك تمدد فقط في عدد معين من الأبعاد ، هناك تصنيف لمثل هذه التوسعات:

  • يحدث التمدد الخطي عندما يسود التباين في بعد معين ، مثل طول الجسم أو عرضه أو ارتفاعه.
  • التمدد السطحي هو أنه حيث يسود الاختلاف في اثنين من الأبعاد الثلاثة.
  • أخيرًا ، يعني التمدد الحجمي تباينًا في الأبعاد الثلاثة للجسم.

المفاهيم الأساسية المتعلقة بالتمدد الحراري

الطاقة الحرارية

تتكون المادة من ذرات في حركة مستمرة ، إما تتحرك أو تهتز. تسمى الطاقة الحركية (أو الحركة) التي تتحرك بها الذرات الطاقة الحرارية ، وكلما تحركت بشكل أسرع ، زادت الطاقة الحرارية التي تمتلكها.

حرارة

الحرارة هي الطاقة الحرارية المنقولة بين مادتين أو أكثر أو من مادة إلى أخرى على نطاق مجهري. هذا يعني أن الجسم الساخن يمكن أن يتخلى عن جزء من طاقته الحرارية ويؤثر على الجسم القريب منه.

تعتمد كمية الطاقة الحرارية المنقولة على طبيعة الجسم القريب والوسط الذي يفصل بينها.

درجة الحرارة

مفهوم درجة الحرارة أمر أساسي لدراسة الآثار الحرارية ، ودرجة حرارة الجسم هي مقياس لقدرته على نقل الحرارة إلى هيئات أخرى.

سيكون الجسمان على اتصال متبادل أو مفصولين بوسيط مناسب (موصل حراري) في نفس درجة الحرارة إذا لم يكن هناك تدفق حراري بينهما. وبالمثل ، يمكن العثور على جسم X عند درجة حرارة أكبر من درجة حرارة الجسم Y إذا كانت الحرارة تتدفق من X إلى Y.

ما هي الخصائص الأساسية للتمدد الحراري؟

يرتبط بوضوح بتغير درجات الحرارة ، فكلما ارتفعت درجة الحرارة ، زاد التمدد. يعتمد أيضًا على البنية الداخلية للمادة ، في مقياس الحرارة ، يكون تمدد الزئبق أكبر بكثير من تمدد الزجاج الذي يحتوي عليه.

ما هو السبب الأساسي للتمدد الحراري؟

تشير الزيادة في درجة الحرارة إلى زيادة في الطاقة الحركية للذرات الفردية في المادة. في الحالة الصلبة ، على عكس الغاز ، تكون الذرات أو الجزيئات متقاربة معًا ، لكن طاقتها الحركية (في شكل اهتزازات صغيرة وسريعة) تفصل الذرات أو الجزيئات عن بعضها البعض.

يصبح هذا الفصل بين الذرات المجاورة أكبر بشكل متزايد وينتج عنه زيادة في حجم المادة الصلبة.

بالنسبة لمعظم المواد في ظل الظروف العادية ، لا يوجد اتجاه مفضل يحدث فيه التمدد الحراري ، وستؤدي زيادة درجة الحرارة إلى زيادة حجم المادة الصلبة بمقدار جزء معين في كل بُعد.

توسع خطي

أبسط مثال على التمدد هو التوسع في بعد واحد (خطي). وجد تجريبيا أن التغير في طول ميكرولتر من مادة يتناسب مع التغير في درجة الحرارة ΔT والطول الأولي لو (الشكل 1). يمكننا تمثيل ذلك بالطريقة التالية:

DL = aLoDT

حيث α هو معامل التناسب يسمى معامل التمدد الخطي ويميز كل مادة. يتم عرض بعض قيم هذا المعامل في الجدول A.

يكون معامل التمدد الخطي أكبر بالنسبة للمواد التي تواجه تمددًا أكبر لكل درجة مئوية ترتفع درجة حرارتها.

توسع السطح

عندما يتم أخذ الطائرة داخل جسم صلب ، بحيث تكون هذه الطائرة هي التي تخضع للتمدد الحراري (الشكل 2) ، فإن التغيير في المنطقة byA يعطى بواسطة:

DA = 2aA0

حيث ΔA هو التغير في المنطقة الأولية Ao ، T هي التغير في درجة الحرارة و α هي معامل التمدد الخطي.

تمدد الحجمي

كما في الحالات السابقة ، يمكن تقريب التغير في حجم volumeV بالعلاقة (الشكل 3). عادة ما تكتب هذه المعادلة على النحو التالي:

DV = bVoDT

حيث β هو معامل التمدد الحجمي ويساوي تقريبًا 3α Λα τα ßλα 2 ، تظهر قيم معاملات التمدد الحجمي لبعض المواد.

بشكل عام ، سيتم توسيع المواد في ظل زيادة في درجة الحرارة ، والماء هو الاستثناء الأكثر أهمية لهذه القاعدة. يتمدد الماء عندما تزيد درجة حرارته عندما يكون أعلى من 4 درجات مئوية.

ومع ذلك ، فإنه يتمدد أيضًا عند خفض درجة حرارته في حدود 4 درجات مئوية إلى 0 درجة مئوية. يمكن ملاحظة هذا التأثير عندما يتم وضع الماء داخل الثلاجة ، ويتمدد الماء عند التجميد ويصعب استخراج الجليد من الحاوية بواسطة هذا الامتداد.

أمثلة

يمكن أن تؤدي الاختلافات في التمدد الحجمي إلى تأثيرات مثيرة للاهتمام في محطة وقود. مثال على ذلك هو تقطير البنزين في خزان تم ملؤه للتو خلال يوم حار.

يقوم البنزين بتبريد الخزان الفولاذي عند سكبه ، كما يتم توسيع كل من البنزين والدبابات مع ارتفاع درجة حرارة الهواء المحيط. ومع ذلك ، يتمدد البنزين بشكل أسرع بكثير من الفولاذ ، وبالتالي يقطر من الخزان.

الفرق في التوسع بين البنزين والخزان الذي يحتوي عليه يمكن أن يسبب مشاكل عند قراءة مؤشر مستوى الوقود. تكون كمية البنزين (الكتلة) المتبقية في الخزان عندما يصل المؤشر إلى مستوى الفراغ أقل بكثير في فصل الصيف عنها في فصل الشتاء.

للبنزين نفس الحجم في كلا المحطتين عندما يضيء مصباح التحذير ، ولكن بسبب توسع البنزين خلال فصل الصيف ، يكون له كتلة أقل.

على سبيل المثال ، يمكن اعتباره خزان بنزين فولاذي كامل ، بسعة 60 لتر. إذا كانت درجة حرارة الخزان والبنزين 15 درجة مئوية ، فكم من الغازات سوف تسكب عندما تصل درجة الحرارة إلى 35 درجة مئوية؟

سيزيد حجم الخزان والبنزين بسبب الزيادة في درجة الحرارة ، لكن البنزين سيزيد أكثر من الخزان. لذلك ، فإن البنزين المسكوب سيكون هو الفرق في حجم التغييرات. يمكن عندئذٍ استخدام معادلة التمدد الحجمي لحساب تغييرات الحجم:

الحجم المنسكب بسبب الزيادة في درجة الحرارة هو:

الجمع بين هذه المعادلات 3 في واحدة ، لدينا:

من الجدول 2 ، يتم الحصول على قيم معامل التمدد الحجمي ، مع الاستعاضة عن القيم:

على الرغم من أن هذه الكمية من الغاز المسكوب غير مهمة نسبيًا مقارنة بخزان سعة 60 لترًا ، إلا أن التأثير مفاجئ نظرًا لتوسع البنزين والصلب بسرعة كبيرة.

قائمة المراجع

  1. Yen Ho Cho، Taylor R. Thermal Expansion of Solids ASM International، 1998.
  2. H. Ibach ، هانز لوث فيزياء الحالة الصلبة: مقدمة لمبادئ علوم المواد Springer Science & Business Media ، 2003.
  3. Halliday D.، Resnick R.، Krane K. Physics، Volume 1. Wiley، 2001.
  4. مارتن سي. مارتن ، تشارلز أ. هيويت ، عناصر الفيزياء الكلاسيكية ، إلسفير ، 2013.
  5. Zemansky مارك دبليو الحرارة والديناميكا الحرارية. Editorial Aguilar، 1979.