Hőmérséklet-változás hatására bekövetkező méretváltozást hőtágulásnak nevezzük.
A hőtágulás során bekövetkező méretváltozás sok esetben olyan csekély, hogy szabad szemmel nehéz észrevenni.
Ennek ellenére a hőtágulás következtében óriási erők léphetnek fel, ha a méretváltozás létrejöttét külső erők megakadályozzák.
Gyakran fontos mérnöki feladat a hőtágulás elleni védelem.
Szilárd halmazállapotú anyagok hőtágulása
a) lineáris hőtágulás
Lineáris hőtágulásról olyan szilárd anyagoknál beszélünk, ahol a keresztirányú méret elhanyagolható a hosszirány méretéhez képest.
Ilyen pl. a rudak, vezetékek, sínek, stb. hőmérsékletváltozás hatására bekövetkező méretváltozása.
Hőtágulás oka
- Hőenergia hatására a szilárd anyag belsejében megnő a részecskék rezgő mozgásának energiája.
- Ez abban nyilvánul meg, hogy nő a rezgőmozgást végző részecskék amplitúdója.
- Így minden részecskének nagyobb lesz a térfogatigénye. Ez okozza a hosszváltozást.
A hosszváltozás mértéke függ
- az anyag minőségétől; minden anyagban más és más kémiai kötőerők működnek, amelyek a hőtágulás mértékét befolyásolják.
- A kezdeti hosszal arányos azon részecskék száma, amelynek
- amplitúdója megváltozik hőenergia hatására.
- A hőmérsékletváltozástól függ, hogy mekkora energia
- változtatja meg a részecskék rezgőmozgását.
Mérések azt mutatják, hogy szilárd testek lineáris hőtáguláskor bekövetkezett hosszváltozása egyenesen arányos a kezdeti hossz és a hőmérsékletváltozás szorzatával.
Δl ~ l*dT
Ez azt jelenti, hogy a (dl/(l0*dT) hányados az anyag minőségére jellemző állandó.
Ezt az állandót lineáris hőtágulási együtthatónak nevezzük, és α-val jelöljük.
alfa=dl/(l0*dt) [alfa]=1/K
A lineáris hőtágulási együttható számértéke kifejezi, hogy egy kelvin hőmérsékletváltozás hatására létrejövő hosszváltozás hányszorosa a kezdeti hossznak.
Szilárd testek hőközlés hatására bekövetkező hosszváltozása egyenesen arányos a kezdeti hossz és a hőmérsékletváltozás szorzatával az arányossági tényező a lineáris hő tágulási együttható.
Az előző összefüggést felhasználva bármely hőmérsékleten meghatározható a kezdetben l0 hosszúságú rúd hossza. (lt)
b) Szilárd testek térfogati hőtágulása
Ha egy szilárd testnek a tér mind a három irányában közel azonos a mérete, akkor a hőközléskor bekövetkező hosszváltozást mind a három irányban figyelembe kell venni. Ez eredményezi a térfogatváltozást.
Mérések bizonyítják, hogy a hőközlés hatására bekövetkező térfogatváltozás egyenesen arányos a kezdeti térfogat és a hőmérsékletváltozás szorzatával, az arányossági tényező a β -val jelölt térfogati hőtágulási együttható.
ΔV = βV0ΔT
Bizonyítható, hogy a lineáris hőtágulási együttható háromszorosa közelítőleg megegyezik a térfogati hőtágulási együtthatóval.
β ~= 3α
Folyékony halmazállapotú anyagok hőtágulása
A folyadékok hőközlés hatására legtöbbször a szilárd anyagokhoz hasonlóan viselkednek.
Melegítés hatására általában kitágulnak.
Ennek az az oka, hogy a befektetett hőenergia növeli a részecskék rezgőmozgásának energiáját. Ez abban nyilvánul meg, hogy a részecskék nagyobb amplitúdóval végzik mozgásukat. Így minden részecskének megnő a térfogatigénye, ezért a folyadék kitágul.
A térfogatváltozás egyenesen arányos a kezdeti térfogattal, mert ez határozza meg, hogy hány részecskének változik meg a térfogatigénye.
ΔV ~ V0
A térfogat változása egyenesen arányos a hőmérsékletváltozással, mivel ez határozza meg, hogy mennyivel változik meg a részecskék rezgőmozgásának az energiája. ΔV ~ ΔT.
dV/(V0*dT)=cons=béta [béta]=1/K
A β térfogati hőtágulási együttható számértéke kifejezi, hogy 1K hőmérsékletváltozás hatására bekövetkező térfogatváltozás hányszorosa a kezdeti térfogatnak.
A folyadék hőközlés hatására bekövetkező térfogatváltozása egyenesen arányos, a kezdeti térfogat és a hőmérsékletváltozás szorzatával, az arányossági tényező a folyadék hőtágulási együtthatója.
ΔV = βV0ΔT
A víz rendellenes viselkedése hőtáguláskor
A víz hőtágulása kivételes.
- 0 C-tól 4 C-ig nemhogy tágulna, hanem összehúzódik.
- Megfigyelések azt mutatják, hogy a víz 4 C-on tölti ki a legkisebb térfogatot.
- Ebből az is következik, hogy a 4C-os víz sűrűsége a legnagyobb.
- A víz hőtágulása magasabb hőmérsékleten sem lineáris.
A víz kivételes hőtágulásának fontos szerepe van a tavak és a folyók befagyásakor. Amikor a tó lehűl, a felszínén lévő lehűlt víz a tó aljára kerül, mert sűrűsége nagyobb. Amikor a víz teljes mélységben eléri a 4 C-ot, akkor az áramlás megszűnik. A felszínhez közeli víz tovább hűl, de ez a réteg már nem süllyed le, mert sűrűsége kisebb, mint a 4 C-os víz sűrűsége. Lassan a víz felszínén jég képződik, amely úszik a vízen.
Ha a tó, folyó nem túl sekély, akkor az alján mindig marad víz, amely biztosítja az állatok és a növények túlélését a nagy hidegben is.
A víz tehát felülről lefelé fagy meg, míg minden más folyadék alulról felfelé.
Nincsenek megjegyzések:
Megjegyzés küldése