Termiskā izplešanās

Termiskā izplešanās ir ķermeņa lineāro izmēru, tilpuma un formu izmaiņas, mainoties tā temperatūrai. Šķidrumu un gāzu termiskās izplešanās daudzumu pie pastāvīga spiediena raksturo ar izobāro izplešanās koeficientu. Cietvielu termiskās izplešanās raksturošanai papildus izmanto lineāro termiskās izplešanās koeficientu. Monokristāliem anizotropijas dēļ termiskā izplešanās dažādos virzienos ir dažāda.

Temperatūra ir funkcija no vidējās materiāla molekulārās kinētiskās enerģijas. Materiālu sildot, tā molekulu kinētiskā enerģija palielinās. Šī iemesla dēļ molekulas sāk kustēties vairāk un palielinās vidējās attālums starp tām. Tāpēc vairums materiālu, palielinoties temperatūrai, izplešas.

Termiskās izplešanās koeficientsLabot

Termiskās izplešanās koeficients raksturo, kā mainīsies objekta izmērs līdz ar temperatūras maiņu. Tas parāda, par kādu daļu mainīsies ķermeņa izmērs, izmainoties temperatūrai par 1 grādu pie konstanta spiediena. Tiek izmantoti vairāku veidu termiskās izplešanās koeficienti: lineārais, laukuma, tilpuma.

Lineārā izplešanāsLabot

 
Stieņa garuma izmaiņa temperatūras ietekmē.

Lineāras termiskās izplešanās koeficients raksturo ķermeņa izmēra izmaiņu vienā dimensijā. Apskatām stieni ar garumu  , kura temperatūra tiek palielināta par  . Šo sakarību var aprakstīt ar formulu  , kur   — lineārās termiskās izplešanās koeficients. Formulu var pārveidot arī citos veidos:

 

 

 

Šis vienādojums ir spēkā, ja ķermeņa pagarinājums ir neliels un izplešanās koeficients būtiski nemainās līdz ar temperatūru

Laukuma izplešanāsLabot

Laukuma izplešanās koeficients raksturo izmaiņu materiāla laukumā, izmainoties tā temperatūrai. Laukuma izmaiņu izsaka ar formulu:

 ,

kur   ir materiāla laukums, un   ir laukuma izplešanās koeficients. Sakarību starp lineārās izplešanās koeficientu un laukuma izplešanās koeficientu var aptuveni pieņemt:  

Tilpuma izplešanāsLabot

Ķermeņa tilpuma izmaiņu var aprakstīt pēc formulas  , kur   ir ķermeņa sākotnējais tilpums un   ir tilpuma izplešanās koeficients

Aplūkosim izotropisku materiālu, piemēram, tērauda kubu ar malu garumu  . Mainoties temperatūrai, tā jaunais garums būs  . Attiecīgi jaunais tilpums:

 

Ar lielu precizitāti var pieņemt, ka   un   ir nulle, jo parasti termiskā izplešanās koeficienta vērtība ir ļoti niecīga.[1]

Tādā gadījumā   un attiecīgi  .

Šķidrumu termiskā izplešanāsLabot

 
Dzīvsudraba termometrs, kas izmanto šķidruma termiskās izplešanās īpašību

Vairums šķidrumu palielina savu tilpumu, palielinoties temperatūrai, un samazina tilpumu, samazinoties temperatūrai. Šķidrumu termiskās izplešanās koeficients parasti ir lielāks nekā cietām vielām. Šī iemesla dēļ šķidrumi parasti izplešas, kad tiek sasildīti.[2]

Termometri darbojas pēc šī principa. Dzīvsudraba termometrs mēra tilpumu noteiktam daudzumam dzīvsudraba. Lai definētu mērvienības, tiek izvēlēti 2 atskaites punkti, piemēram, ūdens sasalšanas un vārīšanās temperatūra, un piešķirtas tiem attiecīgas vērtības, piemēram, 0 un 100.[3]

Salīdzinoši neliels daudzums materiālu saraujas noteiktos temperatūras diapazonos, kad tiek karsēti. Šo parādību parasti sauc par negatīvu termisko izplešanos, nevis saraušanos. Ūdens pieder pie šiem izņēmumiem. Pie 0,4 grādiem pēc Celsija, tas sasniedz savu maksimālo blīvumu. Temperatūras diapazonā no 0 līdz 4 grādiem pēc Celsija izplešanās koeficients ir negatīvs. To var izskaidrot ar ūdeņraža saišu īpašībām ūdenī.[4] Šo ūdens īpašību ir jāņem vērā ūdensapgādes un apkures sistēmās, jo ūdens, sasalstot un izplešoties, var izraisīt plaisas caurulēs spriegumu dēļ.

Dažādu materiālu un šķidrumu termiskās izplešanās koeficienti[5]Labot

Materiāls Lineārais koeficients    Tilpuma koeficients  

 

Alumīnijs 25 75
Misiņš 19 56
Varš 17 51
Zelts 14 42
Svins 29 87
Sudrabs 18 54
Betons -12 -36
Benzīns 950
Glicerīns 500
Dzīvsudrabs 180
Ūdens 210
Etilspirts 1100

AtsaucesLabot

  1. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thexp2.html#c3
  2. http://www.encyclopedia.com/topic/Thermal_Expansion.aspx
  3. Daniel v. Schroeder. An introduction to thermal physics. Addison-Wesley, 1999. 3.lpp. ISBN 978-0201380279
  4. Boundless. “Special Properties of Water.” Archived 2016. gada 5. martā, Wayback Machine vietnē. Boundless Physics. Boundless, 21 Jul. 2015
  5. John Croom, AP Physics 1 Textbook by OpenStax College. cnx.org