HACIMSEL GENIŞLEME NEDIR? (ÖRNEKLERLE) - FIZIKSEL - 2025

Hacim genişlemesi bir gövde üç boyutlu olarak değişimi ile ilgili bir fiziksel olaydır. Çoğu maddenin hacmi veya boyutları ısıya maruz kaldıklarında artar; Bu, termal genleşme olarak bilinen bir olgudur, ancak ısıtıldığında büzüşen maddeler de vardır.

Hacim değişiklikleri katılar için nispeten küçük olsa da, özellikle farklı genişleyen malzemelerin birleştirilmesinin istendiği durumlarda, büyük teknik öneme sahiptir.

Bazı katıların şekli ısıtıldığında bozulur ve bazı yönlerde genişleyip bazılarında daralabilir. Bununla birlikte, yalnızca belirli sayıda boyutta genişleme olduğunda, bu tür genişletmeler için bir sınıflandırma vardır:

• Doğrusal genişleme, vücudun uzunluğu, genişliği veya yüksekliği gibi belirli bir boyuttaki varyasyon baskın olduğunda meydana gelir.
• Yüzey genişlemesi, üç boyuttan ikisinde varyasyonun baskın olduğu bir durumdur.
• Son olarak, hacimsel genişleme, bir cismin üç boyutunda bir değişiklik anlamına gelir.

Termal genleşme ile ilgili temel kavramlar

Termal enerji

Madde, hareket eden ya da titreşen sürekli hareket halinde olan atomlardan oluşur. Atomların hareket ettiği kinetik (veya hareket) enerjiye termal enerji denir, ne kadar hızlı hareket ederlerse, o kadar fazla termal enerjiye sahip olurlar.

Sıcak

Isı, makroskopik ölçekte iki veya daha fazla madde arasında veya maddenin bir bölümünden diğerine aktarılan termal enerjidir. Bu, sıcak bir vücudun termal enerjisinin bir kısmını bırakabileceği ve ona yakın bir vücudu etkileyebileceği anlamına gelir.

Aktarılan ısı enerjisi miktarı, yakındaki vücudun yapısına ve onları ayıran ortama bağlıdır.

Sıcaklık

Sıcaklık kavramı, ısının etkilerini incelemek için esastır, bir cismin sıcaklığı, ısıyı diğer cisimlere transfer etme kabiliyetinin ölçüsüdür.

Karşılıklı temas halindeki veya uygun bir ortamla (ısı iletkeni) ayrılmış iki cisim, aralarında ısı akışı yoksa aynı sıcaklıkta olacaktır. Benzer şekilde, ısı X'ten Y'ye akarsa, X gövdesi Y gövdesinden daha yüksek bir sıcaklıkta olacaktır.

Termal genleşmenin temel özellikleri nelerdir?

Açıkça sıcaklıktaki bir değişiklikle ilgilidir, sıcaklık ne kadar yüksekse, genişleme o kadar büyük olur. Aynı zamanda malzemenin iç yapısına da bağlıdır, bir termometrede cıvanın genişlemesi, onu içeren camın genişlemesinden çok daha büyüktür.

Termal genleşmenin temel nedeni nedir?

Sıcaklıktaki bir artış, bir maddedeki tek tek atomların kinetik enerjisinde bir artış anlamına gelir. Katı halinde, gazdan farklı olarak, atomlar veya moleküller birbirine çok yakındır, ancak kinetik enerjileri (küçük, hızlı titreşimler şeklinde) atomları veya molekülleri birbirinden ayırır.

Komşu atomlar arasındaki bu ayrım gittikçe büyür ve katının boyutunda bir artışa neden olur.

Sıradan koşullar altındaki çoğu madde için, ısıl genleşmenin meydana geldiği tercih edilen bir yön yoktur ve artan sıcaklık, her boyutta katının boyutunu belirli bir oranda artıracaktır.

Doğrusal genişleme

Genişlemenin en basit örneği, tek (doğrusal) boyutta genişlemedir. Deneysel olarak, bir maddenin uzunluğundaki ΔL değişiminin, sıcaklık ΔT ve başlangıç ​​uzunluğu Lo (Şekil 1) ile orantılı olduğu bulunmuştur. Bunu şu şekilde ifade edebiliriz:

DL = aLoDT

burada α, doğrusal genişleme katsayısı olarak adlandırılan bir orantılılık katsayısıdır ve her bir malzemenin özelliğidir. Bu katsayının bazı değerleri tablo A'da gösterilmiştir.

Doğrusal genleşme katsayısı, sıcaklıklarının yükseldiği her Santigrat derece için daha fazla genleşme yaşayan malzemeler için daha yüksektir.

Yüzeysel genişleme

Katı bir cismin içinde bir düzlem alırken, bu düzlem ısıl genleşmeye maruz kalacak şekilde (Şekil 2), ΔA alanındaki değişiklik şu şekilde verilir:

DA = 2aA0

Burada ΔA, ilk alan Ao'daki değişimdir, T sıcaklıktaki değişimdir ve α doğrusal genişleme katsayısıdır.

Hacimsel genişleme

Önceki durumlarda olduğu gibi, hacim ΔV'deki değişiklik ilişki ile yaklaşık olarak tahmin edilebilir (Şekil 3). Bu denklem genellikle şu şekilde yazılır:

DV = bVoDT

β hacimsel genişleme katsayısıdır ve yaklaşık 3∝ ∝ τ∝ ßλ∝ 2'ye eşittir, bazı malzemeler için hacimsel genleşme katsayılarının değerleri gösterilir.

Genel olarak, maddeler sıcaklıktaki bir artışla genişleyecektir, su bu kuralın en önemli istisnasıdır. Su, sıcaklığı 4 thanC'nin üzerine çıktığında genleşir.

Bununla birlikte, sıcaklığı 4 ° C ile 0 ° C arasında düştüğünde de genişler. Bu etki, su buzdolabına konulduğunda, su donduğunda genleştiğinde ve bu genleşme nedeniyle buzun kabından çıkarılması zor olduğunda gözlemlenebilir.

Örnekler

Hacimsel genişlemedeki farklılıklar, bir benzin istasyonunda ilginç etkilere yol açabilir. Bir örnek, sıcak bir günde yeni doldurulmuş bir tanka damlayan benzindir.

Benzin, döküldüğünde çelik tankı soğutur ve hem benzin hem de tank çevresindeki havanın sıcaklığı ile genişler. Ancak benzin, çelikten çok daha hızlı genleşerek tanktan dışarı sızmasına neden olur.

Benzin ile onu içeren depo arasındaki genleşme farkı, yakıt seviye göstergesini okurken sorunlara neden olabilir. Gösterge boşaldığında bir tankta kalan benzin (kütle) miktarı, yazın kışın olduğundan çok daha azdır.

Benzin, ikaz ışığı yandığında her iki istasyonda da aynı hacme sahiptir, ancak benzin yazın genleştiği için kütlesi daha düşüktür.

Örnek olarak, 60L kapasiteli tam çelik bir gaz tankını düşünebilirsiniz. Depo ve benzinin sıcaklığı 15ºC ise 35ºC sıcaklığa ulaştığında ne kadar benzin dökülür?

Depo ve benzin, sıcaklık artışından dolayı hacim olarak artacak, ancak benzin depoya göre daha fazla artacaktır. Yani dökülen benzin hacminizdeki değişim farkı olacaktır. Hacimsel genleşme denklemi daha sonra hacim değişikliklerini hesaplamak için kullanılabilir:

Sıcaklıktaki artışla dökülen hacim şu şekildedir:

Bu 3 denklemi bir arada birleştirdiğimizde:

Tablo 2'den, hacimsel genleşme katsayısının değerleri, ikame değerleri elde edilir:

Bu miktarda dökülen benzin, 60 litrelik bir tanka kıyasla nispeten önemsiz olsa da, benzin ve çelik çok hızlı bir şekilde genişlediği için etki şaşırtıcıdır.

kaynakça

1. Yen Ho Cho, Taylor R.Termal Expansion of Solids ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Katı Hal Fiziği: Malzeme Bilimi İlkelerine Giriş Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, Volume 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A.Hewett Elements of Classical Physics Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Isı ve Termodinamik. Editoryal Aguilar, 1979.