APAKAH PELEBARAN VOLUMETRIK? (DENGAN CONTOH) - FIZIKAL - 2025

The pengembangan isi padu adalah satu fenomena fizikal yang melibatkan perubahan dalam tiga dimensi badan. Isi padu atau dimensi kebanyakan bahan meningkat apabila mengalami panas; Ini adalah fenomena yang dikenali sebagai pengembangan haba, namun ada juga bahan yang berkontrak ketika dipanaskan.

Walaupun perubahan isipadu agak kecil untuk pepejal, ia sangat penting dari segi teknikal, terutama dalam keadaan di mana bahan yang diinginkan bergabung dengan bahan yang berbeza.

Bentuk beberapa pepejal terdistorsi ketika dipanaskan dan dapat mengembang di beberapa arah dan menguncup di bahagian lain. Walau bagaimanapun, apabila hanya ada pelebaran dalam sejumlah dimensi, ada klasifikasi untuk pengembangan seperti itu:

• Pelebaran linier berlaku apabila variasi dalam dimensi tertentu mendominasi, seperti panjang, lebar, atau tinggi badan.
• Pelebaran permukaan adalah di mana variasi dalam dua daripada tiga dimensi mendominasi.
• Akhirnya, pelebaran volumetrik membayangkan variasi dalam tiga dimensi badan.

Konsep asas yang berkaitan dengan pengembangan haba

Tenaga haba

Bahan terdiri daripada atom yang bergerak secara berterusan, sama ada bergerak atau bergetar. Tenaga kinetik (atau gerakan) yang bergerak atom disebut tenaga terma, semakin cepat mereka bergerak, semakin banyak tenaga terma yang mereka miliki.

Panas

Haba adalah tenaga haba yang dipindahkan antara dua atau lebih zat atau dari satu bahagian bahan ke bahagian lain pada skala makroskopik. Ini bermaksud bahawa badan yang panas dapat melepaskan sebahagian daripada tenaga termalnya dan mempengaruhi badan yang berdekatan dengannya.

Jumlah tenaga haba yang dipindahkan bergantung pada sifat badan berdekatan dan persekitaran yang memisahkan mereka.

Suhu

Konsep suhu adalah asas untuk mengkaji kesan haba, suhu badan adalah ukuran kemampuannya memindahkan haba ke badan lain.

Dua badan yang saling bersentuhan atau dipisahkan oleh medium yang sesuai (konduktor haba) akan berada pada suhu yang sama jika tidak ada aliran haba di antara mereka. Begitu juga, badan X akan berada pada suhu yang lebih tinggi daripada badan Y jika haba mengalir dari X ke Y.

Apakah sifat asas pengembangan haba?

Ini jelas berkaitan dengan perubahan suhu, semakin tinggi suhu, semakin besar pengembangannya. Ini juga bergantung pada struktur dalaman bahan, dalam termometer, pengembangan merkuri jauh lebih besar daripada pengembangan kaca yang mengandunginya.

Apakah sebab asas pengembangan haba?

Peningkatan suhu menunjukkan peningkatan tenaga kinetik atom individu dalam suatu zat. Dalam pepejal, tidak seperti gas, atom atau molekul saling berdekatan, tetapi tenaga kinetiknya (dalam bentuk getaran kecil dan cepat) memisahkan atom atau molekul antara satu sama lain.

Pemisahan antara atom jiran menjadi lebih besar dan lebih besar dan mengakibatkan peningkatan ukuran pepejal.

Bagi kebanyakan bahan dalam keadaan biasa, tidak ada arah yang disukai di mana pengembangan haba berlaku, dan peningkatan suhu akan meningkatkan ukuran pepejal dengan pecahan tertentu dalam setiap dimensi.

Pelebaran linear

Contoh pelebaran paling mudah adalah pengembangan dalam satu dimensi (linear). Secara eksperimen didapati bahawa perubahan panjang ΔL suatu bahan adalah sebanding dengan perubahan suhu ΔT dan panjang awal Lo (Rajah 1). Kami dapat menyatakannya dengan cara berikut:

DL = aLoDT

di mana α adalah pekali perkadaran yang disebut pekali pengembangan linear dan merupakan ciri setiap bahan. Beberapa nilai pekali ini ditunjukkan dalam jadual A.

Pekali pengembangan linier lebih tinggi untuk bahan yang mengalami pengembangan lebih besar untuk setiap darjah Celsius sehingga suhu mereka meningkat.

Pelebaran dangkal

Apabila satah dibawa dalam badan yang padat, sehingga satah ini adalah yang mengalami pengembangan haba (Rajah 2), perubahan kawasan ΔA diberikan oleh:

DA = 2aA0

di mana ΔA adalah perubahan pada kawasan awal Ao, T adalah perubahan suhu, dan α adalah pekali pengembangan linear.

Pelebaran volumetrik

Seperti dalam kes sebelumnya, perubahan volume ΔV dapat dihampiri dengan hubungan (Gambar 3). Persamaan ini biasanya ditulis seperti berikut:

DV = bVoDT

di mana β adalah pekali pengembangan volumetrik dan kira-kira sama dengan 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, nilai pekali pengembangan volumetrik untuk beberapa bahan ditunjukkan.

Secara amnya, zat akan berkembang di bawah kenaikan suhu, air menjadi pengecualian terpenting bagi peraturan ini. Air mengembang apabila suhunya meningkat apabila lebih besar daripada 4ºC.

Namun, ia juga mengembang apabila suhunya menurun dalam lingkungan 4 ° C hingga 0 ° C. Kesan ini dapat dilihat apabila air dimasukkan ke dalam peti sejuk, air mengembang ketika membeku dan sukar untuk mengeluarkan ais dari bekasnya kerana pengembangan ini.

Contoh

Perbezaan pengembangan volumetrik boleh menyebabkan kesan menarik di stesen minyak. Contohnya ialah petrol menetes ke tangki yang baru diisi pada hari yang panas.

Bensin menyejukkan tangki keluli ketika dicurahkan, dan petrol dan tangki mengembang dengan suhu udara di sekitarnya. Walau bagaimanapun, petrol mengembang jauh lebih cepat daripada keluli, menyebabkan bocor keluar dari tangki.

Perbezaan pengembangan antara petrol dan tangki yang ada di dalamnya dapat menimbulkan masalah ketika membaca tolok paras bahan bakar. Jumlah petrol (jisim) yang tersisa di dalam tangki ketika alat pengukurnya kosong lebih kurang pada musim panas berbanding musim sejuk.

Bensin mempunyai volume yang sama di kedua-dua stesen ketika lampu amaran menyala, tetapi kerana petrol mengembang pada musim panas, jisimnya lebih rendah.

Sebagai contoh, anda boleh mempertimbangkan tangki gas keluli penuh, dengan kapasiti 60L. Sekiranya suhu tangki dan petrol 15ºC, berapakah jumlah petrol yang akan ditumpahkan pada saat suhu mencapai 35ºC?

Tangki dan petrol akan meningkat dalam jumlah kerana kenaikan suhu, tetapi petrol akan meningkat lebih banyak daripada tangki. Jadi petrol yang tumpah akan menjadi perbezaan dalam perubahan jumlah anda. Persamaan pengembangan volumetrik kemudian dapat digunakan untuk mengira perubahan isipadu:

Isipadu yang ditumpahkan oleh kenaikan suhu adalah:

Menggabungkan 3 persamaan ini dalam satu, kami mempunyai:

Dari jadual 2 nilai pekali pengembangan volumetrik diperoleh, menggantikan nilai:

Walaupun jumlah petrol yang tumpah ini agak tidak signifikan berbanding tangki 60L, kesannya sangat mengejutkan, kerana petrol dan keluli mengembang dengan cepat.

Bibliografi

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Pembesaran Termal Pepejal ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Solid-State Physics: Pengantar Prinsip Sains Bahan Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Fizik, Jilid 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elemen Fizik Klasik Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Haba dan Termodinamik. Editorial Aguilar, 1979.