WAS IST VOLUMETRISCHE DILATATION? (MIT BEISPIELEN) - KÖRPERLICH - 2025

Die Volumenexpansion ist ein physikalisches Phänomen, bei dem sich die drei Dimensionen eines Körpers ändern. Das Volumen oder die Abmessungen der meisten Substanzen nehmen zu, wenn sie Wärme ausgesetzt werden. Dies ist ein Phänomen, das als Wärmeausdehnung bekannt ist. Es gibt jedoch auch Substanzen, die sich beim Erhitzen zusammenziehen.

Obwohl die Volumenänderungen für Feststoffe relativ gering sind, sind sie von großer technischer Bedeutung, insbesondere in Situationen, in denen es wünschenswert ist, Materialien zu verbinden, die sich unterschiedlich ausdehnen.

Die Form einiger Feststoffe ist beim Erhitzen verzerrt und kann sich in einige Richtungen ausdehnen und in anderen zusammenziehen. Wenn es jedoch nur eine Erweiterung in einer bestimmten Anzahl von Dimensionen gibt, gibt es eine Klassifizierung für solche Erweiterungen:

• Eine lineare Erweiterung tritt auf, wenn Variationen in einer bestimmten Dimension vorherrschen, wie z. B. Körperlänge, -breite oder -höhe.
• Die Oberflächendilatation ist eine, bei der die Variation in zwei der drei Dimensionen überwiegt.
• Schließlich impliziert die volumetrische Dilatation eine Variation der drei Dimensionen eines Körpers.

Grundlegende Konzepte zur Wärmeausdehnung

Wärmeenergie

Materie besteht aus Atomen, die sich ständig bewegen, entweder bewegen oder vibrieren. Die kinetische (oder Bewegungs-) Energie, mit der sich Atome bewegen, wird als Wärmeenergie bezeichnet. Je schneller sie sich bewegen, desto mehr Wärmeenergie haben sie.

Heiß

Wärme ist die Wärmeenergie, die makroskopisch zwischen zwei oder mehr Substanzen oder von einem Teil der Substanz auf einen anderen übertragen wird. Dies bedeutet, dass ein heißer Körper einen Teil seiner Wärmeenergie abgeben und einen Körper in seiner Nähe beeinflussen kann.

Die Menge der übertragenen Wärmeenergie hängt von der Art des nahe gelegenen Körpers und der Umgebung ab, die ihn trennt.

Temperatur

Das Konzept der Temperatur ist grundlegend, um die Auswirkungen von Wärme zu untersuchen. Die Temperatur eines Körpers ist das Maß für seine Fähigkeit, Wärme auf andere Körper zu übertragen.

Zwei Körper, die in gegenseitigem Kontakt stehen oder durch ein geeignetes Medium (Wärmeleiter) getrennt sind, haben die gleiche Temperatur, wenn zwischen ihnen kein Wärmefluss besteht. In ähnlicher Weise hat ein Körper X eine höhere Temperatur als ein Körper Y, wenn Wärme von X nach Y fließt.

Was sind die grundlegenden Eigenschaften der Wärmeausdehnung?

Es hängt eindeutig mit einer Temperaturänderung zusammen. Je höher die Temperatur, desto größer die Expansion. Es hängt auch von der inneren Struktur des Materials ab. In einem Thermometer ist die Ausdehnung von Quecksilber viel größer als die Ausdehnung des Glases, das es enthält.

Was ist die Hauptursache für die Wärmeausdehnung?

Ein Temperaturanstieg impliziert einen Anstieg der kinetischen Energie der einzelnen Atome in einer Substanz. In einem Feststoff sind die Atome oder Moleküle im Gegensatz zu einem Gas eng beieinander, aber ihre kinetische Energie (in Form kleiner, schneller Schwingungen) trennt die Atome oder Moleküle voneinander.

Diese Trennung zwischen benachbarten Atomen wird immer größer und führt zu einer Zunahme der Größe des Feststoffs.

Für die meisten Substanzen unter normalen Bedingungen gibt es keine bevorzugte Richtung, in der die Wärmeausdehnung auftritt, und eine Erhöhung der Temperatur erhöht die Größe des Feststoffs in jeder Dimension um einen bestimmten Anteil.

Lineare Dilatation

Das einfachste Beispiel für eine Dilatation ist die Expansion in einer (linearen) Dimension. Experimentell wurde festgestellt, dass die Änderung der Länge ΔL einer Substanz proportional zur Änderung der Temperatur ΔT und der Anfangslänge Lo ist (Abbildung 1). Wir können dies folgendermaßen darstellen:

DL = aLoDT

Dabei ist α ein Proportionalitätskoeffizient, der als linearer Ausdehnungskoeffizient bezeichnet wird und für jedes Material charakteristisch ist. Einige Werte dieses Koeffizienten sind in Tabelle A gezeigt.

Der lineare Ausdehnungskoeffizient ist höher für Materialien, die mit jedem Grad Celsius, bei dem ihre Temperatur steigt, eine größere Ausdehnung erfahren.

Oberflächliche Erweiterung

Wenn eine Ebene in einem festen Körper aufgenommen wird, so dass diese Ebene diejenige ist, die eine Wärmeausdehnung erfährt (Abbildung 2), ist die Änderung der Fläche ΔA gegeben durch:

DA = 2aA0

wobei ΔA die Änderung der Anfangsfläche Ao ist, T die Änderung der Temperatur ist und α der lineare Ausdehnungskoeffizient ist.

Volumendilatation

Wie in den vorherigen Fällen kann die Volumenänderung ΔV mit der Beziehung angenähert werden (Abbildung 3). Diese Gleichung wird normalerweise wie folgt geschrieben:

DV = bVoDT

wobei β der Volumenausdehnungskoeffizient ist und ungefähr gleich 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2 ist, sind die Werte der Volumenausdehnungskoeffizienten für einige Materialien gezeigt.

Im Allgemeinen dehnen sich Substanzen bei steigender Temperatur aus, wobei Wasser die wichtigste Ausnahme von dieser Regel darstellt. Wasser dehnt sich aus, wenn seine Temperatur steigt, wenn es höher als 4 ° C ist.

Es dehnt sich jedoch auch aus, wenn seine Temperatur im Bereich von 4 ° C bis 0 ° C abnimmt. Dieser Effekt kann beobachtet werden, wenn Wasser in einen Kühlschrank gestellt wird, sich das Wasser beim Gefrieren ausdehnt und es aufgrund dieser Ausdehnung schwierig ist, das Eis aus seinem Behälter zu entfernen.

Beispiele

Unterschiede in der Volumenexpansion können an einer Tankstelle zu interessanten Effekten führen. Ein Beispiel ist Benzin, das in einen Tank tropft, der gerade an einem heißen Tag gefüllt wurde.

Das Benzin kühlt den Stahltank beim Gießen und sowohl Benzin als auch Tank dehnen sich mit der Temperatur der Umgebungsluft aus. Benzin dehnt sich jedoch viel schneller aus als Stahl, wodurch es aus dem Tank austritt.

Der Unterschied in der Ausdehnung zwischen Benzin und dem Tank, der es enthält, kann Probleme beim Ablesen der Kraftstoffstandsanzeige verursachen. Die Menge an Benzin (Masse), die in einem Tank verbleibt, wenn die Anzeige leer ist, ist im Sommer viel geringer als im Winter.

Benzin hat an beiden Stationen das gleiche Volumen, wenn die Warnleuchte aufleuchtet. Da sich das Benzin jedoch im Sommer ausdehnt, hat es eine geringere Masse.

Als Beispiel können Sie einen Vollstahl-Gastank mit einem Fassungsvermögen von 60 l betrachten. Wenn die Temperatur des Tanks und des Benzins 15 ° C beträgt, wie viel Benzin wird verschüttet, bis eine Temperatur von 35 ° C erreicht ist?

Der Tank und das Benzin nehmen aufgrund der Temperaturerhöhung an Volumen zu, aber das Benzin nimmt stärker zu als der Tank. Das verschüttete Benzin ist also der Unterschied in Ihren Volumenänderungen. Die volumetrische Expansionsgleichung kann dann verwendet werden, um die Volumenänderungen zu berechnen:

Das durch den Temperaturanstieg verschüttete Volumen beträgt dann:

Wenn wir diese 3 Gleichungen in einer kombinieren, haben wir:

Aus Tabelle 2 werden die Werte des volumetrischen Ausdehnungskoeffizienten erhalten, wobei Werte ersetzt werden:

Obwohl diese Menge an verschüttetem Benzin im Vergleich zu einem 60-Liter-Tank relativ unbedeutend ist, ist der Effekt überraschend, da sich Benzin und Stahl sehr schnell ausdehnen.

Literaturverzeichnis

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Wärmeausdehnung von Feststoffen ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Festkörperphysik: Eine Einführung in die Prinzipien der Materialwissenschaft Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physik, Band 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elemente der klassischen Physik Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Wärme und Thermodynamik. Editorial Aguilar, 1979.