- 물체의 선형 치수와 부피는 온도 변화에 따라 거의 변하지 않지만, 그럼에도 불구하고 실제로 이러한 변화를 고려해야 하는 경우가 많습니다. 동시에 이 현상은 일상생활과 기술 분야에서 널리 사용됩니다.
신체의 열팽창을 고려
열팽창으로 인한 고체 크기의 변화는 다른 물체가 이러한 크기 변화를 방해하는 경우 엄청난 탄성력의 출현으로 이어집니다. 예를 들어 단면적이 100cm2인 강철 교량 빔을 겨울에 -40°C에서 여름에 +40°C로 가열할 때 지지대가 늘어나는 것을 방지하면 지지대에 최대 100mm의 압력(장력)이 생성됩니다. 1.6 10 8 Pa, 즉 1.6 10 6 N의 힘을 가하는 지지대에서.
주어진 값은 물체의 열팽창에 대한 Hooke의 법칙과 공식(9.2.1)에서 얻을 수 있습니다.
Hooke의 법칙에 따르면 기계적 응력은 상대 신장률이고 E는 영률입니다. (9.2.1)에 따르면. 이 상대 신장 값을 Hooke의 법칙 공식으로 대체하면 다음을 얻습니다.
강철의 경우 영률 E = 2.1 10 11 Pa, 선팽창 온도 계수 α 1 = 9 10 -6 K -1입니다. 이 데이터를 식(9.4.1)에 대입하면 Δt = 80°C에서 기계적 응력이 σ = 1.6 10 8 Pa라는 것을 알 수 있습니다.
S = 10 -2 m 2이므로 힘 F = σS = 1.6 10 6 N.
금속 막대가 냉각될 때 나타나는 힘을 보여주기 위해 다음 실험을 수행할 수 있습니다. 끝에 주철 막대가 삽입되는 구멍이 있는 쇠막대를 가열해 보겠습니다(그림 9.5). 그런 다음 이 막대를 홈이 있는 거대한 금속 스탠드에 삽입합니다. 냉각되면 막대가 수축하고 주철 막대가 파손될 정도로 큰 탄성력이 발생합니다.
쌀. 9.5
많은 구조물을 설계할 때는 몸체의 열팽창을 고려해야 합니다. 온도 변화에 따라 신체가 자유롭게 팽창하거나 수축할 수 있도록 주의를 기울여야 합니다.
예를 들어 전신선과 지지대 사이의 전력선을 단단히 당기는 것은 금지되어 있습니다. 여름에는 겨울보다 전선 처짐이 눈에 띄게 커집니다.
금속 증기 파이프라인과 물 가열 파이프에는 루프 형태의 굴곡부(보정기)가 장착되어 있어야 합니다(그림 9.6).
쌀. 9.6
고르지 못한 가열로 인해 내부 응력이 발생할 수 있습니다. 균질체. 예를 들어, 유리병이나 두꺼운 유리로 만든 유리를 부으면 터질 수 있습니다. 뜨거운 물. 우선, 용기 내부와 접촉하는 부분에서 가열이 발생합니다. 뜨거운 물. 그들은 팽창하여 외부의 차가운 부분에 많은 압력을 가합니다. 따라서 혈관 파괴가 발생할 수 있습니다. 얇은 유리잔에 뜨거운 물을 부으면 깨지지 않습니다. 내부와 외부 부분이 똑같이 빠르게 가열되기 때문입니다.
석영 유리는 선팽창 온도 계수가 매우 낮습니다. 이러한 유리는 균열 없이 고르지 못한 가열이나 냉각을 견딜 수 있습니다. 예를 들어, 뜨거운 석영 유리 플라스크에 찬물을 부을 수 있지만 이러한 실험 중에 일반 유리로 만든 플라스크가 터집니다.
주기적으로 가열 및 냉각되는 서로 다른 재료는 온도 변화에 따라 치수가 동일하게 변하는 경우에만 결합해야 합니다. 이는 대형 제품 크기에 특히 중요합니다. 예를 들어, 철과 콘크리트는 가열되면 똑같이 팽창합니다. 그렇기 때문에 철근 콘크리트가 널리 보급되었습니다. 강철 격자에 강화 콘크리트 모르타르를 부어 보강했습니다 (그림 9.7). 철근과 콘크리트가 다르게 팽창하면 일일 및 연간 온도 변동으로 인해 철근 콘크리트 구조물이 곧 무너질 것입니다.
쌀. 9.7
몇 가지 예를 더 들어보겠습니다. 전기 램프 및 라디오 램프의 유리 실린더에 납땜된 금속 도체는 유리와 동일한 팽창 계수를 갖는 합금(철 및 니켈)으로 만들어집니다. 그렇지 않으면 금속을 가열할 때 유리가 깨질 수 있습니다. 기구를 덮는 데 사용되는 에나멜과 기구를 만드는 데 사용되는 금속은 동일한 선형 팽창 계수를 가져야 합니다. 그렇지 않으면 에나멜로 코팅된 접시를 가열하고 식힐 때 에나멜이 터질 것입니다.
액체가 팽창하지 않는 밀폐된 용기에서 액체를 가열하는 경우 액체에 의해 상당한 힘이 발생할 수도 있습니다. 이러한 힘은 체액을 담고 있는 용기를 파괴할 수 있습니다. 따라서 액체의 이러한 특성도 고려해야 합니다. 예를 들어 온수 가열 배관 시스템에는 항상 시스템 상단에 팽창 탱크가 연결되어 대기에 노출되어 있습니다. 파이프 시스템에서 물이 가열되면 물의 일부가 팽창 탱크로 들어가고 이는 물과 파이프의 응력 상태를 제거합니다. 같은 이유로 오일 냉각식 전력 변압기에는 상단에 오일 팽창 탱크가 있습니다. 온도가 상승하면 탱크의 오일 레벨이 증가하고 오일이 냉각되면 감소합니다.
기술의 열팽창 사용
신체의 열팽창은 기술에 널리 사용됩니다. 몇 가지 예를 들어보겠습니다. 서로 다른 두 개의 판(예: 철과 구리)을 함께 용접하면 소위 바이메탈 판이 형성됩니다(그림 9.8).
쌀. 9.8
가열되면 이러한 판은 하나가 다른 것보다 더 많이 팽창하기 때문에 구부러집니다. 더 많이 팽창하는 스트립(구리) 중 하나는 항상 볼록한 면에 있습니다(그림 9.9). 바이메탈 스트립의 이러한 특성은 온도 측정 및 조절에 널리 사용됩니다.
쌀. 9.9
온도조절기
그림 9.10은 온도 컨트롤러의 한 유형의 설계를 개략적으로 보여줍니다. 바이메탈 아크 1은 온도가 변하면 곡률도 변합니다. 자유단에는 금속판 2가 부착되어 있으며, 아크가 풀릴 때 접점 3에 닿고 비틀리면 멀어집니다. 예를 들어 접점 3과 플레이트 2가 가열 장치를 포함하는 전기 회로의 끝 부분 4, 5에 연결되면 접점과 플레이트가 접촉하게 됩니다. 전기 회로닫힘: 장치가 방을 가열하기 시작합니다. 가열되면 바이메탈 아크 1이 비틀리기 시작하고 특정 온도에서 접점 3에서 플레이트 2가 분리됩니다. 회로가 끊어지고 가열이 중지됩니다.
쌀. 9.10
냉각 시 아크 1, 풀림으로 인해 가열 장치가 다시 켜집니다. 따라서 실내 온도는 이 수준으로 유지됩니다. 일정한 온도를 유지해야 하는 인큐베이터에도 유사한 온도 조절 장치가 설치됩니다. 일상 생활에서는 온도 조절 장치가 냉장고, 전기 다리미 등에 설치됩니다. 철도 차량 바퀴의 테두리 (붕대)는 강철로 만들어지고 바퀴의 나머지 부분은 더 저렴한 금속인 주철로 만들어집니다. 가열되면 타이어가 바퀴에 장착됩니다. 냉각 후에는 수축되어 단단히 고정됩니다.
또한 가열되면 도르래, 샤프트에 베어링, 나무 통에 철제 고리 등을 놓습니다. 가열하면 팽창하고 냉각되면 수축하는 액체의 특성은 온도를 측정하는 데 사용되는 도구 인 온도계에 사용됩니다. 수은, 알코올 등은 온도계를 만드는 데 액체로 사용됩니다.
신체가 팽창하거나 수축할 때 다른 신체가 크기 변화를 방해하면 엄청난 기계적 응력이 발생합니다. 이 기술은 가열되면 모양이 바뀌는 바이메탈 플레이트를 사용합니다.
차등 확장실질적인 의미가 크다. 때로는 유리병이나 플라스틱병의 금속 나사 캡을 여는 것이 매우 어렵습니다.흐르는 뜨거운 물에 병 윗부분을 담그면 금속이 유리나 플라스틱보다 더 많이 팽창하여 뚜껑이 쉽게 열립니다.
유리병 목에 꼭 맞는 유리마개도 흐르는 뜨거운 물에 목을 잡고 빼내면 됩니다. 목의 팽창 계수는 코르크의 팽창 계수와 동일하지만 유리가 매우 높고 코르크가 뜨거워지기 전에 목이 팽창하여 코르크를 쉽게 제거할 수 있습니다.
확장 유리는 종종 집에서 문제의 원인이 됩니다. 유리 제품에 뜨거운 액체를 채우면 깨지는 경우가 많습니다. 그 이유는 뜨거운 액체와 접촉하는 유리 부분은 액체의 온도를 매우 빠르게 획득하여 팽창하는 반면, 유리는 열악한 전도체이기 때문에 나머지 부분은 차갑게 유지되기 때문입니다.
결과적으로 유리 내부에 장력이 형성되고 접시가 터집니다. 잼을 만들 때 신중한 요리사는 잼을 채우기 전에 오븐에서 용기를 예열합니다. 이렇게 하면 유리잔과 잼이 거의 동일한 온도로 가열됩니다. 소중한 절단 유리 제품을 뜨거운 물에 담가두면 보존됩니다.
일상생활 속 다양한 열팽창
진자의 주기는 진자 자체의 길이에 따라 달라집니다. 온도가 상승하면 진자의 길이가 증가하고 진동 주기가 증가합니다. 진자가 더 천천히 흔들립니다. 그림은 두 가지 유형의 보상 진자를 보여줍니다. 그림 1에서 막대는 인바(Invar)로 만들어졌고 렌즈 진자의 몸체는 강철로 만들어졌습니다.
인바의 아래쪽 확장은 렌즈콩의 위쪽 확장으로 보상됩니다. 이 경우 무게 중심의 위치는 변경되지 않습니다. 원하는 진자의 진동 기간을 설정하려면 렌즈콩의 위치를 나사로 조정합니다. 원하는 위치에 설치되면 이러한 진자는 자체 보정됩니다.
그림 1, b는 더 복잡한 진자를 보여줍니다. 음영 처리되지 않은 막대는 더 크고 음영 처리된 긴 막대의 확장을 보상할 만큼 충분히 확장됩니다. 요즘 대부분의 건물은 중앙난방을 할 경우 어느 정도 일정한 온도를 유지하지만 여전히 열효과를 보상하는 것이 중요합니다.
가스 오븐 온도 조절 장치(그림 2)는 금속의 다양한 열팽창을 사용합니다. 가스는 입구 파이프를 통해 공급되어 포트 D, E 및 F를 통과하여 버너로 이동합니다. 실린더 B는 황동으로 만들어졌고, 로드 A는 인바(Invar)로 만들어졌습니다. 오븐 온도가 올라가면 황동이 인바보다 훨씬 더 팽창하여 밸브 C가 왼쪽으로 이동하고 구멍 E와 F가 닫힙니다.
따라서 오븐으로의 가스 공급이 줄어들고 가스가 약하게 연소됩니다. 구멍 D는 밸브가 닫혀 있을 때 버너가 나가는 것을 방지하기 위해 가스를 받는 데 필요합니다. 실린더 B가 냉각되면 수축하고 밸브 C가 오른쪽으로 이동하여 더버너에 가스. 외부 조절기 G를 사용하면 밸브 C를 조이거나 풀어서 가스 흐름을 줄이거 나 늘리고 오븐의 온도를 줄이거 나 늘릴 수 있습니다.
3번 티켓
“몸의 열팽창. 온도계. 온도 척도. 자연과 기술에서 신체의 열팽창의 중요성. 물의 열팽창 특징"
열팽창- 온도가 변하면 물체의 선형 치수와 모양이 변합니다.
원인: 신체의 온도가 증가함 -> 분자의 이동 속도가 증가함 -> 진동의 진폭이 증가함 -> 분자 사이의 거리가 증가하여 신체의 크기가 증가함.
서로 다른 물체는 가열될 때 다르게 팽창합니다. 왜냐하면 분자의 질량이 다르기 때문입니다. 운동에너지분자간 거리는 다르게 변합니다.
정량적으로, 일정한 압력에서 액체와 기체의 열팽창은 다음과 같은 특징이 있습니다. 체적열팽창 계수(β).
V=V0(1+β(t최종-초기))
여기서 V는 최종 온도에서의 몸체의 부피이고, V0는 초기 온도에서의 몸체의 부피입니다.
열팽창 특성화 고체추가로 계수를 입력하세요 선의열팽창(α)
l=l0(1+α(t최종-초기))
여기서 l은 최종 온도에서의 몸체 길이이고, l0은 초기 온도에서의 몸체 길이입니다.
온도계- 온도 측정 장치
온도계의 작용은 액체의 열팽창에 기초합니다.
1597년 갈릴레오가 발명했다.
온도계 유형:
· 수은(섭씨 -35~750도)
알코올(섭씨 -80~70도)
· 펜탄(섭씨 -200도 ~ 35도)
저울:
화씨. 1732년 화씨 - 파이프에 알코올을 채웠고 나중에 수은으로 바꿨습니다. 눈금의 0 - 눈과 암모니아가 혼합된 온도 또는 식탁용 소금. 물의 어는점은 32°F입니다. 건강한 사람의 체온은 96°F입니다. 물은 212°F에서 끓습니다.
섭씨. 1742년 스웨덴 물리학자 셀시우스. 액체의 어는점은 0°C이고 끓는점은 100°C입니다.
켈빈 척도. 1848년 영국의 물리학자 윌리엄 톰슨(켈빈 경). 기준점은 "절대 영도" - -273.15°C입니다. 이 온도에서는 분자의 열 이동이 멈춥니다. 1°K=1°C
사실은, 절대 영점에 도달할 수 없습니다.
일상생활과 기술 속에서열팽창이 매우 심하다 훌륭한 가치. 전기에 철도겨울과 여름에 전기기관차에 공급하는 전선에는 일정한 장력을 유지하는 것이 필요합니다. 이를 위해 와이어의 장력은 케이블에 의해 생성되며, 케이블의 한쪽 끝은 와이어에 연결되고 다른 쪽 끝은 블록 위에 던져져 하중이 매달립니다.
교량을 건설할 때 트러스의 한쪽 끝을 롤러 위에 올려 놓습니다. 이것이 완료되지 않으면 트러스가 여름에 팽창하고 겨울에 수축할 때 교량을 받치고 있는 교대를 느슨하게 할 것입니다.
백열등을 만들 때 유리 내부를 흐르는 전선의 일부는 팽창 계수가 유리와 동일한 재료로 만들어져야 합니다. 그렇지 않으면 깨질 수 있습니다.
전력선 전선은 파손을 방지하기 위해 절대로 장력을 가하지 않습니다.
증기 파이프라인에는 벤드와 보상 장치가 장착되어 있습니다.
공기의 열팽창이 큰 역할을 함 자연 현상에서의 역할. 공기의 열팽창은 수직 방향으로 기단의 이동을 생성합니다(가열되고 밀도가 낮은 공기는 위로 올라가고, 차갑고 밀도가 낮은 공기는 아래로 내려갑니다). 공기의 고르지 않은 가열 다른 부분땅이 바람을 일으킵니다. 물이 고르지 않게 가열되면 바다에 해류가 생성됩니다.
일별 및 연간 온도 변화로 인해 암석이 가열 및 냉각되면(암석의 구성이 이질적인 경우) 균열이 발생하여 암석이 파괴됩니다.
지구 표면에 가장 풍부한 물질은 다음과 같습니다. 물- 대부분의 다른 액체와 구별되는 특징이 있습니다. 4°C 이상에서만 가열하면 팽창합니다. 반대로 0~4°C에서는 가열되면 물의 양이 감소합니다. 따라서 물의 밀도는 4°C에서 가장 높습니다. 이 데이터는 신선한(화학적으로 순수한) 물을 나타냅니다. 유 바닷물가장 높은 밀도는 약 3°C에서 관찰됩니다. 압력이 증가하면 밀도가 가장 높은 물의 온도도 낮아집니다.
물체의 선형 치수와 부피는 온도 변화에 따라 거의 변하지 않지만, 그럼에도 불구하고 실제로 이러한 변화를 고려해야 하는 경우가 많습니다. 동시에 이 현상은 일상생활과 기술 분야에서 널리 사용됩니다.
신체의 열팽창을 고려
열팽창으로 인한 고체 크기의 변화는 다른 물체가 이러한 크기 변화를 방해하는 경우 엄청난 탄성력의 출현으로 이어집니다. 예를 들어, 단면적이 100cm2인 강철 교량 빔을 겨울에 -40°C에서 여름에 +40°C로 가열할 때 지지대가 신장을 방해하면 최대 지지대에 압력(인장)이 생성됩니다. ~ 1.6 108 Pa, 즉 1.6 106N의 힘으로 지지대에 작용합니다.
주어진 값은 물체의 열팽창에 대한 Hooke의 법칙과 공식(9.2.1)에서 얻을 수 있습니다.
에프
Hooke의 법칙에 따르면 기계적 응력 a = ^ = Ee,
어디? = y- - 상대 신율, a E - 영률, "o
(9.2.1)에 따르면 y1 = e = 이 값을 다음과 같이 대체합니다.
Hooke의 법칙 공식을 강력하게 확장하면,
강철의 경우 영률 E = 2.1 · 1011 Pa, 선팽창 온도 계수 a1 = 9 · 10-6 K-1입니다. 이 데이터를 식(9.4.1)에 대입하면 At = 80°C에서 기계적 응력이 a = 1.6 · 108 Pa라는 것을 알 수 있습니다.
S = 10~2m2이므로 힘 F = aS = 1.6 106 N입니다.
금속 막대가 냉각될 때 나타나는 힘을 보여주기 위해 다음 실험을 수행할 수 있습니다. 끝에 주철 막대가 삽입되는 구멍이 있는 쇠막대를 가열해 보겠습니다(그림 9.5). 그런 다음 이 막대를 홈이 있는 거대한 금속 스탠드에 삽입합니다. 냉각되면 막대가 수축하고 주철 막대가 파손될 정도로 큰 탄성력이 발생합니다.
쌀. 9.5
많은 구조물을 설계할 때는 몸체의 열팽창을 고려해야 합니다. 온도 변화에 따라 신체가 자유롭게 팽창하거나 수축할 수 있도록 조치를 취하는 것이 필요합니다.
예를 들어 전신선과 지지대 사이의 전력선을 단단히 당기는 것은 금지되어 있습니다. 여름에는 겨울보다 전선 처짐이 눈에 띄게 커집니다.
금속 증기 파이프라인과 물 가열 파이프에는 루프 형태의 굴곡부(보정기)가 장착되어 있어야 합니다(그림 9.6).
내부 스트레스가 있을 수 있습니다^^
고르지 못한 가열로 사라지다
균질한 몸. 예를 들어, 유리 - I I
두꺼운 유리병이나 유리잔에 뜨거운 물을 부으면 터질 수 있습니다. 우선 무슨 일이 일어났는지는 Fig. 9.6 1. 뜨거운 물과 접촉하는 용기 내부 부품이 가열됩니다. 그들은 팽창하여 외부의 차가운 부분에 강한 압력을 가합니다. 따라서 혈관 파괴가 발생할 수 있습니다. 얇은 유리잔에 뜨거운 물을 부으면 깨지지 않습니다. 내부와 외부 부분이 똑같이 빠르게 가열되기 때문입니다.
석영 유리는 선팽창 온도 계수가 매우 낮습니다. 이러한 유리는 균열 없이 고르지 못한 가열이나 냉각을 견딜 수 있습니다. 예를 들어, 뜨거운 석영 유리 플라스크에 찬물을 부을 수 있지만 이러한 실험 중에 일반 유리로 만든 플라스크가 터집니다.
주기적으로 가열 및 냉각되는 서로 다른 재료는 온도 변화에 따라 치수가 동일하게 변하는 경우에만 결합해야 합니다. 이는 대형 제품 크기에 특히 중요합니다. 예를 들어, 철과 콘크리트는 가열되면 똑같이 팽창합니다. 그렇기 때문에 철근 콘크리트가 널리 보급되었습니다. 강철 격자에 강화 콘크리트 모르타르를 부어 보강했습니다 (그림 9.7). 철근과 콘크리트가 다르게 팽창하면 일일 및 연간 온도 변동으로 인해 철근 콘크리트 구조물이 곧 무너질 것입니다.
몇 가지 예를 더 들어보겠습니다. 전기 램프 및 라디오 램프의 유리 실린더에 납땜된 금속 도체는 유리와 동일한 팽창 계수를 갖는 합금(철 및 니켈)으로 만들어집니다. 그렇지 않으면 금속을 가열할 때 유리가 깨질 수 있습니다. 기구를 덮는 데 사용되는 에나멜과 기구를 만드는 데 사용되는 금속은 동일한 선형 팽창 계수를 가져야 합니다. 그렇지 않으면 에나멜로 코팅된 접시를 가열하고 식힐 때 에나멜이 터질 것입니다.
액체를 허용하지 않는 밀폐된 용기에서 액체를 가열하는 경우 액체에 의해 상당한 힘이 발생할 수도 있습니다.
확장하다. 이러한 힘으로 인해 액체가 담긴 용기가 파손될 수 있습니다. 따라서 액체의 이러한 특성도 고려해야 합니다. 예를 들어 온수 가열 배관 시스템에는 항상 시스템 상단에 팽창 탱크가 연결되어 대기에 노출되어 있습니다. 파이프 시스템에서 물이 가열되면 물의 일부가 팽창 탱크로 들어가고 이는 물과 파이프의 응력 상태를 제거합니다. 같은 이유로 오일 냉각식 전력 변압기에는 상단에 오일 팽창 탱크가 있습니다. 온도가 올라가면 탱크의 오일 레벨이 증가하고, 오일이 냉각되면 감소합니다.
기술의 열팽창 사용
쌀. 9.8
온도조절기
그림 9.10은 온도 컨트롤러의 한 유형의 설계를 개략적으로 보여줍니다. 바이메탈 아크 1은 온도가 변하면 곡률도 변합니다. 자유단에는 금속판 2가 부착되어 있으며, 아크가 풀릴 때 접점 3에 닿고 비틀리면 멀어집니다. 예를 들어 접점 3과 플레이트 2가 가열 장치를 포함하는 전기 회로의 끝 부분 4, 5에 연결되면 접촉됩니다.
신체의 열팽창은 기술에 널리 사용됩니다. 몇 가지 예를 들어보겠습니다. 서로 다른 두 개의 판(예: 철과 구리)을 함께 용접하면 소위 바이메탈 판이 형성됩니다(그림 9.8). 가열되면 이러한 판은 하나가 다른 것보다 더 많이 팽창하기 때문에 구부러집니다. 더 많이 팽창하는 스트립(구리) 중 하나는 항상 볼록한 면에 있습니다(그림 9.9). 바이메탈 스트립의 이러한 특성은 온도를 측정하고 조절하는 데 널리 사용됩니다.
접점과 플레이트가 제 위치에 있으면 전기 회로가 닫히고 장치가 방을 가열하기 시작합니다. 가열되면 바이메탈 아크 1이 비틀리기 시작하고 특정 온도에서 접점 3에서 플레이트 2가 분리됩니다. 회로가 끊어지고 가열이 중지됩니다. 냉각 시 아크 1, 풀림으로 인해 가열 장치가 다시 켜집니다. 따라서 실내 온도는 이 수준으로 유지됩니다. 일정한 온도를 유지해야 하는 인큐베이터에도 유사한 온도 조절 장치가 설치됩니다. 일상 생활에서는 온도 조절 장치가 냉장고, 전기 다리미 등에 설치됩니다. 철도 차량 바퀴의 테두리 (붕대)는 강철로 만들어지고 바퀴의 나머지 부분은 더 저렴한 금속인 주철로 만들어집니다. 가열되면 타이어가 바퀴에 장착됩니다. 냉각 후에는 수축되어 단단히 고정됩니다.
또한 가열 된 상태에서는 도르래, 베어링이 샤프트에, 나무 통에 철 고리가 놓입니다. 가열하면 팽창하고 냉각되면 수축하는 액체의 특성은 온도를 측정하는 데 사용되는 도구 인 온도계에 사용됩니다. 수은, 알코올 등은 온도계를 만드는 데 액체로 사용됩니다.
신체가 팽창하거나 수축할 때 다른 신체가 크기 변화를 방해하면 엄청난 기계적 응력이 발생합니다. 이 기술은 가열되면 모양이 바뀌는 바이메탈 플레이트를 사용합니다.
열팽창- 온도가 변할 때 신체의 선형 치수와 모양이 변하는 것입니다. 고체의 열팽창을 특성화하기 위해 선형 열팽창 계수가 도입되었습니다.
고체의 열팽창 메커니즘은 다음과 같이 표현될 수 있다. 단단한 몸으로 가져오면 열에너지, 격자 내의 원자 진동으로 인해 열 흡수 과정이 발생합니다. 이 경우 원자의 진동은 더욱 강해집니다. 진폭과 주파수가 증가합니다. 원자 사이의 거리가 멀어질수록 원자간 전위를 특징으로 하는 위치 에너지도 증가합니다.
후자는 반발력과 인력의 잠재력의 합으로 표현됩니다. 원자 사이의 반발력은 인력보다 원자간 거리의 변화에 따라 더 빠르게 변합니다. 결과적으로 에너지 최소 곡선의 모양은 비대칭이 되고 평형 원자간 거리는 증가하게 된다. 이 현상은 열팽창에 해당합니다.
탐닉 잠재력분자 사이의 거리에 따른 분자의 상호 작용을 통해 열팽창의 원인을 알아낼 수 있습니다. 그림 9.2에서 볼 수 있듯이 포텐셜 에너지 곡선은 매우 비대칭적입니다. 최소값에서 매우 빠르게(가파르게) 증가합니다. E p0(시점에서 아르 자형 0) 감소하는 경우 아르 자형증가함에 따라 상대적으로 느리게 성장합니다. 아르 자형.
그림 2.5
절대 영도, 평형 상태에서 분자는 서로 멀리 떨어져 있습니다. 아르 자형 0, 위치 에너지의 최소값에 해당 E p0 .분자가 가열되면 평형 위치를 중심으로 진동하기 시작합니다. 진동 범위는 평균 에너지 값에 의해 결정됩니다. 이자형.전위 곡선이 대칭이라면 분자의 평균 위치는 여전히 거리에 해당합니다. 아르 자형 0 . 이는 가열될 때 분자 사이의 평균 거리가 일반적으로 불변하므로 열팽창이 없음을 의미합니다. 실제로 곡선은 비대칭입니다. 따라서 평균 에너지는 다음과 같습니다. , 진동하는 분자의 평균 위치는 거리에 해당합니다. r 1> r 0.
인접한 두 분자 사이의 평균 거리의 변화는 신체의 모든 분자 사이의 거리의 변화를 의미합니다. 따라서 신체 크기가 증가합니다. 신체를 추가로 가열하면 분자의 평균 에너지가 특정 값으로 증가합니다. , 기타 동시에, 분자 사이의 평균 거리도 증가합니다. 이제 진동은 새로운 평형 위치 주변에서 더 큰 진폭으로 발생하기 때문입니다. r 2 > r1, r3 > r2등.
온도가 변해도 모양이 변하지 않는 고체의 경우(균일한 가열 또는 냉각) 선형 치수(길이, 직경 등)의 변화 - 선형 팽창과 부피 변화가 구별됩니다. - 체적 확장. 액체는 가열되면 모양이 바뀔 수 있습니다. 예를 들어 온도계에서 수은은 모세관으로 들어갑니다. 따라서 액체의 경우 부피 팽창에 대해서만 이야기하는 것이 합리적입니다.
열팽창의 기본 법칙솔리드 바디의 상태는 선형 치수를 가진 바디입니다. 엘 0온도가 어느 정도 상승하면 ΔTΔ 만큼 확장 엘, 동일:
Δ L = αL 0 ΔT, (2.28)
어디 α -소위 선형 열팽창 계수.
신체의 면적과 부피의 변화를 계산하는 데 유사한 공식을 사용할 수 있습니다. 제시된 가장 간단한 사례에서, 열팽창 계수가 온도나 팽창 방향에 의존하지 않으면 물질은 위의 공식에 따라 모든 방향으로 균일하게 팽창합니다.
선팽창계수는 물질의 성질과 온도에 따라 달라집니다. 그러나 너무 넓지 않은 범위 내에서 온도 변화를 고려하면 온도에 대한 α의 의존성을 무시할 수 있으며 선형 팽창 온도 계수는 주어진 물질에 대해 일정한 값으로 간주될 수 있습니다. 이 경우 공식 (2.28)에서와 같이 몸체의 선형 치수는 다음과 같이 온도 변화에 따라 달라집니다.
엘 = 엘 0 ( 1 +αΔT) (2.29)
고체 중에서 왁스는 가장 많이 팽창하며 이 점에서 많은 액체를 능가합니다. 종류에 따라 왁스의 열팽창 계수는 철의 열팽창 계수보다 25~120배 더 큽니다. 액체 중에서 에테르가 가장 많이 팽창합니다. 그러나 에테르보다 9배 더 강력하게 팽창하는 액체가 있습니다. 바로 섭씨 +20도에서 액체 이산화탄소(CO3)입니다. 팽창 계수는 가스의 팽창 계수보다 4배 더 큽니다.
석영 유리는 고체 중 열팽창 계수가 철보다 40배나 낮습니다. 1000도까지 가열된 석영 플라스크는 용기의 무결성에 대한 걱정 없이 얼음물에 안전하게 담글 수 있습니다. 플라스크가 터지지 않습니다. 다이아몬드는 석영 유리보다 팽창 계수가 낮지만 팽창 계수도 낮습니다.
금속 중에서 팽창이 가장 적은 강철을 인바(Invar)라고 하며, 열팽창 계수는 일반 강철보다 80배 낮습니다.
아래 표 2.1은 일부 물질의 부피 팽창 계수를 보여줍니다.
표 2.1 - 대기압에서 일부 가스, 액체 및 고체의 등압 팽창 계수 값
| 부피팽창계수 | 선형팽창계수 | ||||
| 물질 | 온도, ℃ | α×10 3 , (°C) -1 | 물질 | 온도, ℃ | α×10 3 , (°C) -1 |
| 가스 | 다이아몬드 | 1,2 | |||
| 석묵 | 7,9 | ||||
| 헬륨 | 0-100 | 3,658 | 유리 | 0-100 | ~9 |
| 산소 | 3,665 | 텅스텐 | 4,5 | ||
| 액체 | 구리 | 16,6 | |||
| 물 | 0,2066 | 알류미늄 | |||
| 수은 | 0,182 | 철 | |||
| 글리세린 | 0,500 | 인바(36.1% Ni) | 0,9 | ||
| 에탄올 | 1,659 | 얼음 | -10o~0oC | 50,7 |
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