体積拡張とは何ですか？ （例あり）



体積膨張は、身体の三次元の変化を意味する物理現象です。ほとんどの物質の体積または寸法は熱にさらされると増加します。これは熱膨張として知られる現象ですが、加熱すると収縮する物質もあります.

体積変化は固体では比較的小さいですが、それらは技術的に非常に重要です、主に異なる方法で膨張する材料を結合することが望まれる状況で。.

いくつかの固体の形状は加熱されると歪みを受け、そしてある方向に膨張しそして他の方向に収縮することがある。ただし、特定の数の次元でしか拡張がない場合は、そのような展開には分類があります。

  • 体の長さ、幅、高さなど、特定の寸法の変動が優位を占めるときに線形拡張が発生する.
  • 表面的な拡張は、3つの次元のうちの2つの次元の変動が支配的な場所です。.
  • 最後に、体積拡張は体の三次元の変化を意味します。.

索引

  • 1熱膨張に関する基本概念
    • 1.1熱エネルギー
    • 1.2熱
    • 1.3気温
  • 2熱膨張の基本的な性質は何ですか?
  • 3熱膨張の根本的な原因は何ですか?
    • 3.1線膨張
    • 3.2表面膨張
    • 3.3容積拡張
  • 4例
  • 5書誌

熱膨張に関する基本概念

熱エネルギー

物質は、動いているか振動しているかのいずれかで、連続的に動いている原子で構成されています。原子が動くときの運動エネルギー（または運動）は熱エネルギーと呼ばれ、それらが速く動くほど、それらが持つ熱エネルギーは多くなります。.

熱

熱とは、巨視的規模で、2つ以上の物質間または物質間で伝達される熱エネルギーです。これは、熱い体はその熱エネルギーの一部を放棄し、それに近い体に影響を与えることができることを意味します.

伝達される熱エネルギーの量は、近くの体の性質とそれらを隔てる媒体によって異なります.

気温

温度の概念は熱の影響を研究するための基本であり、体の温度は他の体に熱を伝達する能力の尺度です。.

相互に接触している、または適切な媒体（熱伝導体）によって隔てられている2つの物体は、それらの間に熱の流れがない場合、同じ温度になります。同様に、物体Xは物体の温度よりも高い温度で見つけられ、熱がXからYに流れると.

熱膨張の基本的な性質は何ですか?

それは明らかに温度変化と関係があり、温度が高いほど膨張は大きい。それはまた、物質の内部構造にもよりますが、温度計では、水銀の膨張はそれを含むガラスの膨張よりはるかに大きいです。.

熱膨張の根本的な原因は何ですか?

温度の上昇は、物質内の個々の原子の運動エネルギーの上昇を意味します。気体とは異なり、固体では、原子または分子は密接に結合していますが、それらの運動エネルギー（小さくて速い振動の形で）は、原子または分子を互いに分離します。.

隣接原子間のこの間隔はますます大きくなり、固体のサイズが大きくなります。.

通常の条件下でのほとんどの物質にとって、熱膨張が起こる好ましい方向はありません、そして温度の上昇は固体の大きさを各次元で一定の割合で増加させるでしょう.

線形拡張

拡張の最も簡単な例は、一次元での展開（線形）です。物質の長さの変化ΔLは、温度の変化ΔTと初期の長さLoに比例します（図1）。これを次のように表すことができます。

DL = aLoDT

ここで、αは線膨張係数と呼ばれる比例係数であり、各材料に固有のものです。この係数のいくつかの値を表Aに示します.

線膨張係数は、温度が上がるごとに摂氏1度で膨張が大きくなる材料の方が大きくなります。.

表面拡張

平面が固体の内部にあるとき、この平面が熱膨張を受ける平面となるように（図2）、面積の変化ΔAは次のように与えられます。

DA = 2aA0

ここで、ΔAは初期面積Aoの変化、ΔTは温度変化、αは線膨張係数です。.

容積拡張

前の場合と同様に、体積の変化ΔVは次の関係式で近似できます（図3）。この方程式は通常次のように書かれています。

DV = bVoDT

ここで、βは体積膨張係数であり、3αΛαταβλα2にほぼ等しい。いくつかの材料の体積膨張係数の値が示されている。.

一般に、物質は温度の上昇の下で膨張します、水はこの規則の最も重要な例外です。水が4ºCを超えると温度が上がると水が膨張する.

しかしながら、それはまた、４℃から０℃の範囲でその温度を下げると膨張する。この効果は、水が冷蔵庫の中に入れられ、凍結すると水が膨張し、この膨張によってその容器から氷を取り出すことが困難であるときに観察することができる。.

例

容積拡張の違いは、ガソリンスタンドで面白い効果をもたらす可能性があります。一例は、暑い日の間に満杯になったばかりのタンクへのガソリンの滴りです。.

ガソリンはスチールタンクに注がれると冷却し、ガソリンとタンクの両方が周囲の空気の温度で膨張します。しかし、ガソリンはスチールよりもはるかに速く膨張するため、タンクから滴り落ちます。.

ガソリンとそれを含むタンクの膨張の差は、燃料レベルインジケーターを読むときに問題を引き起こす可能性があります。インジケータが真空レベルに達したときにタンク内に残っているガソリン（質量）の量は、冬よりも夏の方がはるかに少ないです。.

警告灯が点灯しているとき、ガソリンは両方のステーションで同じ容量を持っていますが、ガソリンは夏の間に膨張するので、それはより低い質量を持っています.

一例として、容量60Lのフルスチールガソリンタンクと考えることができます。タンクとガソリンの温度が15ºCの場合、それらが35ºCの温度に達するとどのくらいの量のガスがこぼれますか?

タンクとガソリンは温度が上がることで体積が増えますが、ガソリンはタンクよりも増えます。それで、こぼれたガソリンはあなたの容積変化の違いになるでしょう。次に体積膨張方程式を使って体積変化を計算することができます。

温度上昇によってこぼれた量は、

これら3つの方程式を1つにまとめると、次のようになります。

表２から、値を代入して体積膨張率の値を得る。

この量のこぼれたガスは60 Lのタンクに比べて比較的重要ではありませんが、ガソリンとスチールは非常に速く膨張するので、その効果は驚くべきものです。.

書誌

  1. Yen Ho Cho、Taylor R.、熱膨張ASMインターナショナル、1998.
  2. H・イバッハ、ハンス・リューズ固体物理学：物質科学の原理の紹介Springer Science＆Business Media、2003.
  3. Halliday D.、Resnick R.、Krane K. Physics、第1巻、Wiley、2001.
  4. マーティン・C・マーティン、チャールズ・A・ヒューエット古典物理学の要素エルゼビア、2013年.
  5. Zemansky Mark W.熱と熱力学。編集アギラル、1979年.