📜  热膨胀

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:36.179000             🧑  作者: Mango

热膨胀

当谈到液体时,可以观察到,当温度计放在微温的水中时,温度计中的水银会上升。当我们从热水中取出温度计时,水银水平会下降。同样,当气球在凉爽的房间中充气一半并放入温水中时,它会膨胀到最大尺寸。相反,当一个完全充气的气球浸入冷水中时,由于内部空气的收缩,它会开始收缩。

值得注意的是,一些带有金属盖的密封瓶拧得非常紧,以至于必须将盖子浸入热水中几分钟才能打开盖子。这会使金属盖膨胀,并使盖子更容易拧开。

热膨胀

在固体中可以发生三种类型的膨胀,

  1. 线性膨胀
  2. 区域表面或表面扩张
  3. 音量扩展

线性膨胀

线性展开的表达式是,

\dfrac{\Delta l}{l} = \alpha _{l}\cdot\Delta T

其中α l是给定固体的线性膨胀系数。

α的单位在 CGS 中是每摄氏度 ( °C -1 ),在 SI 系统中是每开尔文 (K -1 )。

某些材料的线性膨胀系数值如下表所示。

Materials αl (10–5 K–1)
Aluminum 2.5
Brass 1.8
Iron 1.2
Copper 1.7
Silver 1.9
Gold 1.4
Glass (pyrex) 0.32
Lead 0.29

表面扩张或面积扩张

面积扩展的表达式是,

\dfrac{\Delta A}{A} = \alpha _{A}\cdot\Delta T

这里, α A是给定固体的面积膨胀系数。

音量扩展

面积扩展的表达式是,

\dfrac{\Delta V}{V} = \alpha _{V}\cdot\Delta T

这里α V也是物质的一个特性,但它不会保持不变,它通常取决于温度。

体积膨胀系数只有在高温下才会保持不变。例如,酒精(乙基)具有比汞更高的体积膨胀系数,因此对于相同的温度升高膨胀更多。

下面的图表显示了作为温度函数的铜的体积膨胀系数。

铜的体积膨胀系数随温度的变化。

水的异常膨胀

  • 当加热到 0 到 4 摄氏度之间时,水会表现出不寻常的行为。当一定量的水从室温冷却时,它的体积会下降,直到温度接近 4°C。
  • 温度低于4°C,水的体积增加,因此密度降低。这意味着水的最大密度为 4 °C。该属性对水体有重大影响。湖泊和池塘首先在顶部结冰。
  • 水在大气中失去能量,变得更稠密,随着温度接近 4°C 的湖水下沉;温度较低的水向底部上升。当顶部较冷的水冷却到 4 摄氏度以下时,它会变得不那么稠密并沉降到表面,在那里结冰。

水的热膨胀。

样题

问题 1:定义术语热膨胀。

解决方案:

问题 2:当温度升高 100 °C 时,必须对长度为 10 cm 的钢丝的末端施加多大的压力才能保持其长度不变。 (钢的杨氏模量为 2 x 10 11 Nm -2 ,热膨胀系数为 1.1 x 10 -5 K -1 )。

解决方案:

问题3:两根电线由相同的材料制成并且具有相同的体积。然而,导线1具有横截面积A,而导线2具有横截面积3A。如果在施加力 F 时导线 1 的长度增加了 Dx,那么需要多大的力才能将导线 2 拉伸相同的量?

解决方案:

问题 4:定义术语区域扩展。

解决方案:

问题 5:推导面积膨胀系数 ( α A ) 和线性膨胀系数 ( α l ) 之间的关系。

解决方案: