التمدد الحراري: معامل ، أنواع وتمارين
التمدد الحراري هو زيادة أو تنوع الأبعاد المترية المختلفة (مثل الطول أو الحجم) التي يعاني منها الجسم أو الجسم المادي. تحدث هذه العملية بسبب زيادة درجة الحرارة المحيطة بالمادة. في حالة التمدد الخطي ، تحدث هذه التغييرات في بعد واحد.
يمكن قياس معامل التمدد بمقارنة قيمة الكمية قبل العملية وبعدها. بعض المواد تعاني عكس التمدد الحراري. وهذا هو ، يصبح "سلبي". يقترح هذا المفهوم أن تتقلص بعض المواد عند تعرضها لدرجات حرارة معينة.
بالنسبة للمواد الصلبة ، يتم استخدام معامل التمدد الخطي لوصف تمدده. من ناحية أخرى ، يتم استخدام معامل التمدد الحجمي للسوائل لإجراء العمليات الحسابية.
في حالة المواد الصلبة المتبلورة ، إذا كان القياس متساوي القياس ، فسيكون الامتداد عامًا في جميع أبعاد البلورة. إذا لم يكن القياس متساوي القياس ، يمكن العثور على معاملات التمدد المختلفة على طول البلورة ، وسوف يغير حجمها عند تغيير درجة الحرارة.
معامل التمدد الحراري
يعرف معامل التمدد الحراري (Y) بأنه نصف قطر التغير الذي يتم من خلاله تمرير مادة بسبب التغير في درجة حرارتها. يمثل هذا المعامل الرمز α للمواد الصلبة و and للسوائل ، ويسترشد بالنظام الدولي للوحدات.
تختلف معاملات التمدد الحراري عندما يتعلق الأمر بالصلب أو السائل أو الغاز. كل واحد لديه خصوصية مختلفة.
على سبيل المثال ، يمكن رؤية امتداد المادة الصلبة على طول. يعد المعامل الحجمي واحدًا من أبسط ما يتعلق بالسوائل والتغيرات ملحوظة في جميع الاتجاهات ؛ يستخدم هذا المعامل أيضًا عند حساب تمدد الغاز.
التمدد الحراري السلبي
يحدث التمدد الحراري السلبي في بعض المواد التي ، بدلاً من زيادة حجمها مع ارتفاع درجات الحرارة ، تنكمش بسبب انخفاض درجات الحرارة.
يُرى هذا النوع من التمدد الحراري عادة في الأنظمة المفتوحة حيث تتم ملاحظة التفاعلات الاتجاهية - في حالة الجليد أو في المركبات المعقدة - كما يحدث مع بعض الزيوليت ، Cu2O ، من بين أشياء أخرى.
وبالمثل ، أظهرت بعض التحقيقات أن التمدد الحراري السلبي يحدث أيضًا في الشبكات الفردية المكونة في شكل مضغوط وبتفاعل قوي للقوة.
يمكن ملاحظة مثال واضح على التمدد الحراري السلبي عند إضافة الثلج إلى كوب من الماء. في هذه الحالة ، لا تسبب ارتفاع درجة حرارة السائل على الجليد أي زيادة في الحجم ، بل يقلل من الحجم نفسه.
نوع
عند حساب تمدد جسم مادي ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه ، حسب التغير في درجة الحرارة ، قد يزيد الحجم المذكور أو يقلص حجمه.
لا تتطلب بعض الكائنات تغييرًا جذريًا في درجة الحرارة لتعديل حجمها ، لذلك من المحتمل أن تكون القيمة التي يتم طرحها من خلال الحسابات متوسطة.
مثل كل العمليات ، ينقسم التمدد الحراري إلى عدة أنواع تشرح كل ظاهرة على حدة. في حالة المواد الصلبة ، تكون أنواع التمدد الحراري هي الامتداد الخطي ، التمدد الحجمي والتوسع السطحي.
توسع خطي
في التمدد الخطي ، يسود اختلاف واحد. في هذه الحالة ، الوحدة الوحيدة التي تخضع لتغيير هي ارتفاع أو عرض الكائن.
إحدى الطرق السهلة لحساب هذا النوع من التمدد هي مقارنة قيمة الكمية قبل التغير في درجة الحرارة وقيمة الكمية بعد التغير في درجة الحرارة.
تمدد الحجمي
في حالة التمدد الحجمي ، فإن طريقة حسابه تتمثل في مقارنة حجم السائل قبل التغير في درجة الحرارة مع حجم السائل بعد التغير في درجة الحرارة. الصيغة لحسابها هي:
توسع السطح أو المنطقة
في حالة التمدد السطحي ، تتم ملاحظة الزيادة في مساحة الجسم أو الجسم عندما يكون هناك تغير في درجة حرارته إلى 1 درجة مئوية.
هذا التمدد يعمل للمواد الصلبة. إذا كان لديك أيضًا المعامل الخطي ، يمكنك أن ترى أن حجم الكائن سيكون أكبر من ضعفه. الصيغة لحسابها هي:
A f = A 0 [1 + YA (T f - T 0 )]
في هذا التعبير:
γ = معامل تمدد المساحة [° C-1]
A 0 = المنطقة الأولية
و = المنطقة النهائية
T 0 = درجة الحرارة الأولية.
T f = درجة الحرارة النهائية
الفرق بين تمدد المساحة والتمدد الخطي هو أنه في الحالة الأولى ، هناك زيادة في مساحة الكائن ، وفي الثانية يكون التغيير في وحدة قياس واحدة (حيث يمكن أن يكون الطول أو عرض الجسم المادي).
أمثلة
التمرين الأول (التمدد الخطي)
يبلغ طول القضبان التي تشكل مسار القطار المصنوع من الفولاذ 1500 متر. ماذا سيكون طول الوقت الذي ترتفع فيه درجة الحرارة من 24 إلى 45 درجة مئوية؟
حل
بيانات:
L0 (الطول الأولي) = 1500 م
L f (الطول النهائي) =؟
(درجة الحرارة الأولية) = 24 درجة مئوية
T f (درجة الحرارة النهائية) = 45 درجة مئوية
α (معامل التمدد الخطي المقابل للصلب) = 11 × 10-6 ° C-1
يتم استبدال البيانات في الصيغة التالية:
ومع ذلك ، يجب أولاً معرفة قيمة الفرق في درجة الحرارة ، من أجل إدراج هذه البيانات في المعادلة. لتحقيق هذا الفارق ، قم بطرح أعلى درجة حرارة من الأدنى.
=t = 45 درجة مئوية - 24 درجة مئوية = 21 درجة مئوية
بمجرد معرفة هذه المعلومات ، يمكن استخدام الصيغة السابقة:
Lf = 1500 م (1 + 21 درجة مئوية ، 11 × 10-6 درجة مئوية -1)
Lf = 1500 م (1 + 2.31 × 10-4)
Lf = 1500 م (1000231)
Lf = 1500.3465 م
التمرين الثاني (التمدد السطحي)
تبلغ مساحة بيع الزجاج في المدرسة الثانوية 1.4 م ^ 2 ، إذا كانت درجة الحرارة 21 درجة مئوية. ماذا ستكون منطقتك النهائية عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 35 درجة مئوية؟
حل
Af = A0 [1 + (Tf - T0)]
Af = 1.4 m2 [1] 204.4 × 10-6]
Af = 1.4 متر مربع. 1.0002044
Af = 140028616 متر مربع
لماذا يحدث التمدد؟
يعلم الجميع أن كل المواد تتكون من جزيئات دون ذرية مختلفة. عن طريق تغيير درجة الحرارة ، إما رفع أو انخفاض ، تبدأ هذه الذرات في عملية حركة يمكنها تغيير شكل الكائن.
عندما ترتفع درجة الحرارة ، تبدأ الجزيئات في التحرك بسرعة بسبب زيادة الطاقة الحركية ، وبالتالي ، سيزداد شكل الجسم أو حجمه.
في حالة درجات الحرارة السلبية يحدث العكس ، في هذه الحالة عادة ما يتم التعاقد على حجم الكائن بسبب درجات الحرارة المنخفضة.
