체적 팽창은 본체의 입체적으로 변화를 포함하는 물리 현상이다. 대부분의 물질이 열을 받으면 부피 나 치수가 증가합니다. 이것은 열팽창으로 알려진 현상이지만 가열하면 수축하는 물질도 있습니다.
솔리드의 경우 체적 변화는 상대적으로 작지만, 특히 다르게 확장되는 재료를 결합하려는 상황에서 매우 기술적으로 중요합니다.
일부 고체의 모양은 가열되면 왜곡되고 어떤 방향으로 확장되고 다른 방향으로 수축 할 수 있습니다. 그러나 특정 수의 차원에만 확장이있는 경우 이러한 확장에 대한 분류가 있습니다.
- 선형 팽창은 신체의 길이, 너비 또는 높이와 같이 특정 치수의 변동이 우세 할 때 발생합니다.
- 표면 팽창은 3 차원 중 2 개의 변화가 우세한 경우입니다.
- 마지막으로, 체적 확장은 신체의 3 차원 변화를 의미합니다.
열팽창과 관련된 기본 개념
열 에너지
물질은 움직이거나 진동하는 연속적으로 움직이는 원자로 구성됩니다. 원자가 움직이는 운동 (또는 운동) 에너지를 열 에너지라고하며, 빠르게 이동할수록 더 많은 열 에너지를가집니다.
뜨거운
열은 두 개 이상의 물질간에 또는 물질의 한 부분에서 다른 부분으로 거시적 규모로 전달되는 열 에너지입니다. 이것은 뜨거운 신체가 열 에너지의 일부를 포기하고 가까운 신체에 영향을 미칠 수 있음을 의미합니다.
전달되는 열 에너지의 양은 주변 신체의 특성과이를 분리하는 환경에 따라 다릅니다.
온도
온도의 개념은 열의 영향을 연구하기위한 기본이며, 신체의 온도는 다른 신체로 열을 전달하는 능력의 척도입니다.
서로 접촉하거나 적절한 매체 (열 전도체)로 분리 된 두 본체는 열 흐름이없는 경우 동일한 온도가됩니다. 마찬가지로 열이 X에서 Y로 흐를 경우 몸체 X는 몸체 Y보다 높은 온도에있게됩니다.
열팽창의 기본 속성은 무엇입니까?
온도 변화와 분명히 관련이 있으며 온도가 높을수록 팽창이 커집니다. 그것은 또한 재료의 내부 구조에 따라 달라집니다. 온도계에서 수은의 팽창은 그것을 포함하는 유리의 팽창보다 훨씬 큽니다.
열팽창의 근본 원인은 무엇입니까?
온도의 증가는 물질에서 개별 원자의 운동 에너지의 증가를 의미합니다. 고체에서는 기체와 달리 원자 또는 분자가 서로 밀접하게 연결되어 있지만 운동 에너지 (작고 빠른 진동의 형태)는 원자 또는 분자를 서로 분리합니다.
인접한 원자 사이의 이러한 분리는 점점 더 커지고 고체의 크기가 증가합니다.
일반적인 조건에서 대부분의 물질의 경우 열팽창이 발생하는 선호하는 방향이 없으며 온도를 높이면 각 치수에서 특정 비율만큼 고체의 크기가 증가합니다.
선형 팽창
확장의 가장 간단한 예는 1 차원 (선형) 확장입니다. 실험적으로 물질의 길이 ΔL의 변화는 온도 ΔT 및 초기 길이 Lo의 변화에 비례한다는 것이 밝혀졌습니다 (그림 1). 이를 다음과 같은 방식으로 나타낼 수 있습니다.
DL = aLoDT
여기서 α는 선팽창 계수라고하는 비례 계수이며 각 재료의 특성입니다. 이 계수의 일부 값은 표 A에 나와 있습니다.
선팽창 계수는 온도가 상승하는 섭씨 1 도마 다 더 큰 팽창을 경험하는 재료의 경우 더 높습니다.
표면 확장
솔리드 바디 내에서 평면을 취하여이 평면이 열팽창을 겪는 평면이되도록 (그림 2) 면적 ΔA의 변화는 다음과 같습니다.
DA = 2aA0
여기서 ΔA는 초기 면적 Ao의 변화, T는 온도 변화, α는 선팽창 계수입니다.
체적 팽창
이전 사례와 마찬가지로 부피 ΔV의 변화는 관계식으로 근사화 할 수 있습니다 (그림 3). 이 방정식은 일반적으로 다음과 같이 작성됩니다.
DV = bVoDT
여기서 β는 부피 팽창 계수이고 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2와 거의 같으며 일부 재료의 부피 팽창 계수 값이 표시됩니다.
일반적으로 물질은 온도가 상승하면 팽창하며 물이이 규칙의 가장 중요한 예외입니다. 물이 4ºC보다 높을 때 온도가 상승하면 물이 팽창합니다.
그러나 온도가 4 ° C ~ 0 ° C 범위에서 감소하면 팽창합니다. 이 효과는 물을 냉장고에 넣었을 때 관찰 할 수 있고, 물이 얼면 팽창하며,이 팽창으로 인해 용기에서 얼음을 꺼내기가 어렵습니다.
예
체적 팽창의 차이는 주유소에서 흥미로운 효과로 이어질 수 있습니다. 예를 들어 더운 날에 방금 채워진 탱크에 휘발유가 떨어지는 경우입니다.
휘발유는 부을 때 강철 탱크를 냉각시키고 휘발유와 탱크는 주변 공기의 온도에 따라 팽창합니다. 그러나 가솔린은 강철보다 훨씬 빠르게 팽창하여 탱크에서 누출됩니다.
휘발유와 휘발유가 들어있는 탱크 사이의 팽창 차이는 연료 레벨 게이지를 읽을 때 문제를 일으킬 수 있습니다. 게이지가 비었을 때 탱크에 남아있는 휘발유 (질량)의 양은 겨울보다 여름에 훨씬 적습니다.
휘발유는 경고등이 켜졌을 때 양 역에서 같은 부피를 가지지 만 여름에는 휘발유가 팽창하기 때문에 질량이 적습니다.
예를 들어 60L 용량의 전체 강철 가스 탱크를 고려할 수 있습니다. 탱크와 휘발유의 온도가 15ºC 인 경우 35ºC에 도달 할 때까지 얼마나 많은 휘발유를 흘릴까요?
온도 상승으로 인해 탱크와 가솔린의 부피가 증가하지만 가솔린은 탱크보다 더 많이 증가합니다. 따라서 유출 된 휘발유는 부피 변화의 차이가됩니다. 그런 다음 부피 팽창 방정식을 사용하여 부피 변화를 계산할 수 있습니다.
온도 상승으로 인한 양은 다음과 같습니다.
이 세 가지 방정식을 하나로 결합하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.
표 2에서 체적 팽창 계수 값을 얻습니다.
유출 된 휘발유의 양은 60L 탱크에 비해 상대적으로 미미하지만 휘발유와 강철이 매우 빠르게 팽창하기 때문에 그 효과는 놀랍습니다.
서지
- 조연호, Taylor R. 고체의 열팽창 ASM International, 1998.
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