Расширение воды температурное: Термическое расширение твёрдых тел и жидкостей

Содержание

Коэффициент расширения: что такое, для чего нужен и как рассчитать

Коэффициент расширения: что такое, для чего нужен и как рассчитать | Глоссарий компании «Техноформ»

8 (800) 550-83-25

Пн.-Пт., 9:00 — 18:00

Вход

Регистрация

Когда твердое тело и жидкость нагреваются, их температура повышается. Это приводит к тому, что в определенной мере увеличивается их объем при повышении температуры с каждым градусом. Свойство, которое характеризует отношение температуры и объема, называется коэффициентом расширения. У разных веществ коэффициент имеет разное значение, также может меняться у одного вещества в зависимости от того, какую оно имеет температуру. Принцип используется в работе термометров и других инструментов, используемых для измерения температуры.

Что такое тепловое расширение?

Тепловым расширение принято считать способность тел к расширению, когда они нагреваются. Это означает, что при повышении температуры изменяются их линейные и объемные размеры. Когда происходит охлаждение тела, процесс будет обратным – объем уменьшается.

Для чего нужен коэффициент?

Коэффициент теплового расширения описывает, как изменяется размер объекта, когда происходит повышение его температуры. В зависимости от конкретного использования, коэффициент расширения может быть линейный или объемный. Если тело твердое, требуется узнать изменение его длины или конкретной области, поэтому применяется коэффициент линейного расширения. Для жидкостей и газов используется только температурное расширение, коэффициент линейного теплового расширения для них не подходит, потому что приобретают форму емкости, в которой находятся.

Коэффициент объемного теплового расширения показывает, какое относительное изменение объема тела при постоянном давлении и изменении его температуры на 1 градус. Выражается формулой:

Коэффициент линейного теплового расширения показывает относительное изменение длины тела, когда происходит его нагревание.

Выражается формулой:

Коэффициент линейного теплового расширения может иметь разные значения, если направления измерений будут разными.

Теоретически рассчитать коэффициент линейного объема можно, зная коэффициент объемного расширения (α V ≈ 3 α L).

При нагревании некоторых материалов происходит их сжатие, а не расширение. У них коэффициент расширения (линейный) будет иметь отрицательное значение, к примеру, вода (коэффициент расширения с отрицательным значением при температуре 0-3,984 °С).

Особенности измерения

Тепловое расширение тел, независимо от их фазового состояния, измеряется дилатометром. Принцип действия практически всех приборов основан на измерении сдвигов (малых и сверхмалых), которые возникают вследствие изменения размеров тела относительно шкалы дилатометра. Прибор позволяет определить коэффициент теплового расширения даже в тех случаях, когда смещения микроскопические.

Сегодня существуют такие типы приборов:

оптико-механические;
емкостные;
индукционные;
интерференционные;
рентгеновские;
радиорезонансные и др.

Чаще всего используются тепловые дилатометры, которые позволяют определять объемное и линейное расширение, происходящее под воздействием температуры.

Регистрация на сайте

Регистрация на сайте — процедура, необходимая только партнерам компании.
Зарегистрированным партнерам открывается доступ к закрытому разделу сайта — загрузки.

Ваша заявка

Расширительные баки для отопления — рассчёт объёма воды при нагревании

Техподдержка
Статьи
Архив
Расчет расширительного бака для отопления

Как известно, подавляющее большинство веществ в природе обладает свойством расширяться с повышением температуры. Соответствующей характеристикой служит коэффициент теплового расширения, отображающий изменение объема среды либо линейных размеров тела при нагреве на 1 °С в условиях постоянного давления (в первом случае говорят о коэффициенте теплового объемного, во втором – линейного расширения).

Рис. 1. Зависимость объема воды от температуры

Коэффициент температурного расширения воды

С увеличением температуры коэффициент объемного теплового расширения воды изменяется неравномерно (рис. 1): в диапазоне от 0 до 4 °С объем воды и вовсе уменьшается (эта особенность играет важную роль в природных водоемах), при дальнейшем нагреве значение коэффициента меняется так, как показано в табл. 1.

Таблица 1

Температура воды, °C	Коэффициент объемного теплового расширения, К^-1
5–10	0,53·10-⁴
10–20	1,50·10^-4
20–40	3,02·10^-4
40–60	4,58·10^-4
60–80	5,87·10-⁴

Вот, что это означает на практике. Примерный объем воды в системе отопления индивидуального дома тепловой мощностью 30 кВт составляет 450 л (в ориентировочных расчетах допускается принять 15 л/кВт). В табл. 2 приведены расчеты, показывающие, что при нагреве с 5 до 80 °C увеличение этого объема составит порядка 13 л.

Таблица 2

Температура воды, °C	Коэффициент объемного теплового расширения, К^-1	Увеличение объема, л
5–10	0,53·10^—4	0,119
11–20	1,50·10^—4	0,675
21–40	3,02·10^—4	2,718
41–60	4,58·10^—4	4,122
61–80	5,87·10^-4	5,283
		Итого: 12,917 (2,87 %)

Чтобы принять дополнительный объем жидкости, образующийся при ее нагревании, систему отопления оснащают расширительным баком (экспанзоматом). Раньше в этом качестве широко использовались открытые (с доступом атмосферного воздуха) резервуары, размещаемые в верхней точке системы – как правило, на чердаке дома. Такое решение, хотя применяется и сегодня, не соответствует современным требованиям к элементам отопительных систем, и предпочтение отдано мембранному расширительному баку: его можно устанавливать в любом месте дома (в том числе – непосредственно в котельной), в нем не происходит попадания кислорода в теплоноситель (т.е. исключается основной фактор коррозии оборудования), а рабочая жидкость не теряется из-за испарения.

Если в открытой системе отопления тепловое расширение воды приводит к увеличению ее объема с перемещением образующегося «излишка» в расширительный бак, то в замкнутом трубопроводе результатом окажется повышение давления.

Значение Δp прямо пропорционально коэффициенту теплового расширения и обратно пропорциональна коэффициенту объемного сжатия воды (зависит от давления, в диапазоне 1–25 бар – 49,51∙10^-11 Па, в гидравлических расчетах принимают равным 4,9 ∙10^-10 Па):

Δp = β_t • Δt / β_v, Па.

Представленные в табл. 3 результаты расчетов показывают, каким значительным является увеличение давления при нагреве воды на 75 °C в замкнутом трубопроводе – в разы выше давления разрушения полнобиметаллического радиатора, не говоря уже о других элементах отопительной системы. Поправка на деформацию труб и оборудования уменьшит это значение, но не изменит ситуации кардинально.

Таблица 3

Температура воды, °C	Коэффициент объемного теплового расширения, К^-1	Увеличение давления, бар (1 бар = 0,1 МПа)
5–10	0,53·10^-4	5,41
11–20	1,50·10^-4	30,61
21–40	3,02·10^-4	123,26
41–60	4,58·10^-4	186,93
61–80	5,87·10^-4	239,59
		Итого: 346,21

Конструкция расширительных баков

Помимо обязательности расширительного бака, полученные цифры показывают важность его правильного подбора (при недостаточном объеме неизбежно разрушение мембраны), а также необходимость компенсации теплового расширения воды в замкнутом трубопроводе даже при относительно небольшом перепаде температур. Например, аварийная ситуация может возникнуть в системе холодного водоснабжения квартиры при самопроизвольном нагреве поступившей воды до комнатной температуры и закрытом кране на вводе.

Существуют две основные конструкции мембранных расширительных баков. Наиболее простая – с диафрагменной (лепестковой) мембраной, наглухо зафиксированной в месте соединения полукорпусов. Такие модели имеют меньшую стоимость и применяются достаточно широко, однако обладают недостатками, основные из которых – контакт теплоносителя с материалом корпуса и невозможность ремонта при повреждении мембраны. Баки второго типа оборудуется сменной мембраной – баллонной либо сферической, помещаемой в корпус через горловину с фланцем (рис. 2). Они ремонтопригодны, исключают коррозию металлических стенок от соприкосновения с рабочей средой, характеризуются более полным заполнением внутреннего пространства корпуса (полезный объем), чем экспанзоматы с диафрагменной мембраной.

Pис. 2. Конструкция расширительных баков со сменной мембранойVRV

Принцип работы у мембранных баков обоих типов одинаковый: внутренний объем резервуара разделен эластичной перегородкой на две полости – воздушную и водяную. При нагреве жидкости в системе и увеличении ее объема происходит заполнение водяной полости с растяжением мембраны и сжатием газа (воздуха или азота) в пространстве между ней и корпусом. При остывании теплоносителя имеют место обратные процессы – сжатие жидкости и мембраны, расширение газа.

Давление воздушной подушки настраивается таким образом, чтобы при неработающей системе отопления статическое давление теплоносителя в ней было компенсировано, и мембрана находилась в равновесном состоянии (подробнее читайте в статье о расчете и размещении мембранного бака). Обычно в продажу мембранные расширительные баки поступают с предварительно настроенным давлением в 1,5 бара. Для возможности регулирования и поддержания предварительного давления мембранный бак оснащают ниппелем.

Материалами для изготовления мембран в настоящее время служат различные эластомеры – натуральная каучуковая (используется при изготовлении баков для холодного водоснабжения) и синтетическая резина – бутиловая, стирол-бутадиеновая (SBR), нитрил-бутадиеновая (NBR), а также этилен-пропилен-диен-мономер (EPDM), хорошо зарекомендовавший себя в инженерных системах различного назначения. Мембраны из EPDM эластичны, термостойки, гигиеничны и долговечны (ресурс оценивается в 100 тыс. циклов динамического нагружения), поэтому широко применяются в баках для отопления и водоснабжения, включая питьевое. В нормально работающих системах отопления мембраны экспанзоматов не подвержены резким динамическим воздействиям (изменение объема теплоносителя происходит достаточно плавно), поэтому основными требования к ним являются термическая стойкость и долговечность. EPDM как нельзя лучше отвечает этим критериям.

Производство мембран расширительных баков нормируются европейским стандартом DIN 4807-3 «Расширительные емкости, мембраны из эластомеров для расширительных баков. Технические требования и испытания» (Expansion vessels; elastomer membranes; requirements and testing).

На рис. 3 показаны сменные мембраны из EPDM. Их крепление к фланцу бака осуществляется с помощью контрфланца с приваренным присоединительным штуцером и дырчатым рассекателем струи по центру. В случае порыва мембраны (если такое все же произошло) ее несложно извлечь, чтобы заменить на новую или отремонтировать (повреждение можно заклеить самостоятельно или обратиться в ближайший шиномонтаж для вулканизации).

Рис. 3. Сменные EPDM-мембраны для расширительных баков

Корпус мембранного расширительного бака, как правило, изготавливают из пластичной углеродистой стали методом холодной глубокой штамповки с последующей покраской эпоксидной эмалью. Внутреннюю поверхность экспанзоматов со сменной мембраной обычно не окрашивают, и чтобы исключить риск ее коррозии при выпадении конденсата, в воздушную полость на заводе закачивают химически нейтральный азот.

Как правило, вертикальные баки емкостью от 50 л оборудуют опорами-ножками для напольной установки. Модели меньшего объема (обычно – до 35 л включительно) подвешивают непосредственно на трубопровод или крепят к стене с помощью специальных кронштейнов (консолей).

В табл. 4 приведены характеристики мембранных расширительных баков VALTEC VRV.

Таблица 4. Технические характеристики расширительных баков VALTEC

Характеристика	Значение
Рабочая температура, °С	От –10 до +100
Максимальное рабочее давление, бар	5
Заводское давление газовой камеры (преднастройка), бар	1,5
Материал корпуса	Сталь углеродистая с окраской эпоксидным полиэстером красного цвета
Материал мембраны	EPDM
Тип мембраны	Сменная
Срок службы при соблюдении паспортных условий эксплуатации, лет	25

Удобный монтаж экспанзоматов в системах мощностью до 44 кВт обеспечивает группа безопасности расширительного бака VT. 495 (рис. 4), представляющая собой полую стальную оцинкованную консоль с фланцем для крепления к стене и предустановленным комплектом сантехнических устройств из предохранительного клапана, автоматического воздухоотводчика и манометра. Имеются также два резьбовых патрубка – для подключения группы к системе и подсоединения расширительного бака. Габариты консольной группы безопасности позволяют подвешивать непосредственно к ней расширительные баки размером до 50 л включительно.

Рис. 4. Группа безопасности расширительного бака VT.495

Важным и полезным аксессуаром для расширительных баков систем отопления и ГВС является также разъемный сгон-отсекатель VT.538, позволяющий отсоединять мембранные баки от трубопровода без его опорожнения.

Уважаемые читатели! С момента публикации этой статьи в ассортименте нашей компании, практике применения оборудования, нормативных документах могли произойти изменения. Предлагаемая вам информация полезна, однако носит исключительно ознакомительный характер.

Распечатать статью:
Расчет расширительного бака для отопления

© Правообладатель ООО «Веста Регионы», 2010

Все авторские права защищены. При копировании статьи ссылка на правообладателя
и/или на сайт www.valtec.ru обязательна.

Странное свойство воды заставляет океаны подниматься

При нагревании воды ее объем увеличивается. (За исключением одной странной аномалии.)

wa.edu.au

Океаны Земли выросли в среднем на три дюйма с 19 века.92, и потепление воды не показывает никаких признаков остановки, объявило НАСА 26 августа.

Стив Нерем, климатолог, возглавляющий группу НАСА по изменению уровня моря, сказал: «, если текущая ставка сохранится.

Но поскольку океан продолжает поглощать тепло от глобального потепления, эта оценка может быть преуменьшением. В зоне риска находятся низменные города, такие как Новый Орлеан, разрушенный ураганом Катрина 10 лет назад.

Таяние ледников и ледяных щитов в Гренландии и Антарктиде является причиной по крайней мере двух третей повышения уровня моря. Недостающая часть головоломки — это странное явление, называемое тепловым расширением, когда тепло заставляет объем воды расширяться.

Вода странная. Это одна из немногих жидкостей, которая расширяется при замерзании при 0 градусов по Цельсию, но сжимается при нагревании до 4 градусов по Цельсию.0003

Но если вы нагреете воду выше 4°С, молекулы будут сильно сталкиваться друг с другом, увеличивая общий объем жидкости и заставляя ее занимать больше места.

Поверхность Земли прогрелась в среднем примерно на 0,8 градуса по Цельсию с 1880 года, вскоре после начала промышленной революции.

Это увеличение не кажется большим, поясняет Земная обсерватория НАСА, но оно имеет серьезные последствия: и земля на столько. В прошлом достаточно было падения на один-два градуса, чтобы Земля погрузилась в Малый ледниковый период. Падения на пять градусов было достаточно, чтобы 20 000 лет назад большая часть Северной Америки оказалась под огромной массой льда.

В нашем мире происходит сильное потепление, особенно на северном полюсе:

Мир нагревается, и это увеличивает объем океанской воды.

Земная обсерватория НАСА

Океаны Земли особенно подвержены риску — они реагируют на это увеличение, поглощая все больше и больше тепла по мере повышения глобальной температуры:

Океан является одним из крупнейших поглотителей тепла на Земле.

НОАА

А поскольку вода при нагревании расширяется, это избыточное поглощение тепла увеличило объем земных океанов.

На данный момент этот объем увеличился лишь на долю процента от первоначального объема океана.

Применительно даже к части 335 миллионов кубических миль воды планеты , т.е. поверхностных вод, это увеличение приводит к значительному повышению уровня моря — помимо увеличения стока воды из мировых запасов тающего льда.

Повышение уровня мирового океана после промышленной революции.

Союз неравнодушных ученых

По данным Союза обеспокоенных ученых, уровень моря поднялся примерно на 8 дюймов с 1880 по 2009 год, основной причиной этого стало тепловое расширение.

Новые данные НАСА показывают рост на 3 дюйма с 1992 года — большой скачок по сравнению с прошлыми 100 или около того годами.

Опять же, это звучит немного. Но любое увеличение дает штормовым нагонам такую большую силу, что они затапливают прибрежные болота, обрушивают дамбы и наносят ущерб все глубже и глубже вглубь суши.

Это упрощенная иллюстрация того, как это выглядит для прибрежных городов, но это опасный сценарий:

Союз неравнодушных ученых

Более того, скорость повышения уровня моря только увеличивается, поскольку океаны поглощают больше тепла, расширяются, а айсберги и ледники продолжают таять.

Что способствует повышению уровня моря.

Земная обсерватория НАСА

Земля безумно динамична, особенно океаны. Отчасти поэтому требуется так много времени, чтобы выявить эти тенденции в первую очередь; вы должны проводить измерения в течение длительного периода времени, чтобы увидеть тенденции.

В связи с этим исследователи до сих пор не уверены во взаимодействии поверхностных вод и глубоководного потепления океана. Но само собой разумеется, что если планета продолжит нагреваться, а океаны продолжат поглощать тепло, уязвимые прибрежные города, такие как Новый Орлеан, окажутся в куче проблем.

12.3: Тепловое расширение — Физика LibreTexts

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 17011

Безграничный
Безграничный

цели обучения

Описать изменения объема, происходящие в ответ на изменение температуры

Тепловое расширение – это тенденция материи изменяться в объеме в ответ на изменение температуры. (Примером этого является коробление железнодорожного пути, как показано на рис. ). Атомы и молекулы в твердом теле, например, постоянно колеблются вокруг точки равновесия. Такой вид возбуждения называется тепловым движением. Когда вещество нагревается, составляющие его частицы начинают двигаться больше, тем самым сохраняя большее среднее расстояние от соседних частиц. Степень расширения, деленная на изменение температуры, называется коэффициентом теплового расширения материала; обычно она зависит от температуры.

Рис. 1 : Тепловое расширение длинных непрерывных участков рельсовых путей является движущей силой коробления рельсов. Это явление привело к сходу с рельсов 190 поездов только в США в 1998–2002 гг.

Тепловое расширение : Краткое введение в тепловое расширение для учащихся.

Расширение, а не сжатие

Почему вещество обычно расширяется при нагревании? Ответ можно найти в форме типичного потенциала частица-частица в веществе. Частицы в твердых и жидких телах постоянно ощущают присутствие других соседних частиц. Это взаимодействие может быть представлено математически как потенциальная кривая. Рис. 2 иллюстрирует, как этот межчастичный потенциал обычно принимает асимметричную форму, а не симметричную, в зависимости от расстояния между частицами. Обратите внимание, что потенциальная кривая круче для более короткого расстояния. На диаграмме (б) показано, что по мере нагревания вещества равновесное (или среднее) расстояние между частицами увеличивается. Материалы, которые сжимаются или сохраняют свою форму при повышении температуры, встречаются редко. Этот эффект ограничен по размеру и проявляется только в ограниченных диапазонах температур.

Рис. 2 : Типичный межчастичный потенциал в конденсированных средах (таких как твердые или жидкие).

Линейное расширение

В первом приближении изменение длины объекта ( линейное измерение в противоположность, например, объемному размеру) из-за теплового расширения связано с изменением температуры коэффициентом линейного расширения . Это дробное изменение длины на градус изменения температуры. Предполагая пренебрежимо малое влияние давления, мы можем написать:

\[\mathrm{α_L=\dfrac{1}{L}\dfrac{dL}{dT},}\]

, где \(\mathrm{L}\) – конкретное измерение длины, а \(\ mathrm{\frac{dL}{dT}}\) — скорость изменения этого линейного размера на единицу изменения температуры. Исходя из определения коэффициента расширения, изменение линейного размера \(\mathrm{ΔL}\) в диапазоне температур \(\mathrm{ΔT}\) можно оценить следующим образом:

\[\mathrm{\ dfrac{ΔL}{L}=α_LΔT.}\]

Это уравнение работает хорошо, пока коэффициент линейного расширения не сильно меняется при изменении температуры. Если это так, уравнение необходимо проинтегрировать.

Расширение области

Объекты расширяются во всех измерениях. То есть их площади и объемы, а также их длины увеличиваются с температурой.

цели обучения

Выразите коэффициент теплового расширения площади в виде уравнения

О линейном расширении (в одном измерении) мы узнали в предыдущем Атоме. Объекты расширяются во всех измерениях, и мы можем расширить тепловое расширение для 1D до двух (или трех) измерений. То есть их площади и объемы, а также их длины увеличиваются с температурой.

Викторина

Прежде чем мы углубимся в детали, вот интересный вопрос. Представьте, что у нас есть прямоугольный лист металла с круглым отверстием посередине. Если металл нагреть, то можно предположить, что кусок в целом увеличится за счет теплового расширения. Что теперь будет с круглым отверстием посередине? Отверстие будет больше или меньше? Ответ: Представим, что у нас есть такой же металлический лист, но без отверстия. Нарисуйте воображаемую круговую линию, представляющую круглое отверстие в нашей викторине. Как меняется эта воображаемая окружность при нагревании металла? Да. Он станет больше. Поэтому можно догадаться, что дыра в нашей викторине будет увеличиваться.

Рис. 1 : Обычно объекты расширяются во всех направлениях при повышении температуры. На этих рисунках исходные границы объектов показаны сплошными линиями, а расширенные границы — пунктирными линиями. а) Площадь увеличивается, потому что увеличиваются и длина, и ширина. Площадь круглой пробки также увеличивается. (b) Если заглушка удалена, отверстие, которое она оставляет, становится больше с повышением температуры, как если бы расширяющаяся заглушка оставалась на месте.

Коэффициент теплового расширения площади

Коэффициент теплового расширения площади связывает изменение размеров поверхности материала с изменением температуры. Это дробное изменение площади на градус изменения температуры. Пренебрегая давлением, мы можем написать: \(\mathrm{α_A=\dfrac{1}{A}\dfrac{dA}{dT}}\), где — некоторая область интереса на объекте, а \(\mathrm{ \frac{dA}{dT}}\) — скорость изменения этой площади на единицу изменения температуры. Изменение линейного размера можно оценить как: \(\mathrm{\frac{ΔA}{A}=α_AΔT}\). Это уравнение работает хорошо до тех пор, пока коэффициент линейного расширения не сильно меняется при изменении температуры \(\mathrm{ΔT}\). Если это так, уравнение необходимо проинтегрировать. 92+2LΔL} \\ & \mathrm{=A+2A\dfrac{ΔL}{L}} \end{align} \]

\(\mathrm{L}\). Поскольку \(\mathrm{\dfrac{ΔA}{A}=2\dfrac{ΔL}{L}}\) из приведенного выше уравнения (и из определений тепловых коэффициентов), мы получаем \(\mathrm{α_A =2_{αL}}\).

Объемное расширение

Вещества расширяются или сжимаются при изменении их температуры, причем расширение или сжатие происходит во всех направлениях.

цели обучения

Сравните влияние давления на расширение газообразных и твердых материалов.

Коэффициент объемного теплового расширения является основным коэффициентом теплового расширения. показывает, что в общем случае вещества расширяются или сжимаются при изменении их температуры, причем расширение или сжатие происходит во всех направлениях. Такие вещества, расширяющиеся во все стороны, называются изотропными. Для изотропных материалов площадь и линейные коэффициенты могут быть рассчитаны из объемного коэффициента (обсуждается ниже).

Объемное расширение : Обычно объекты расширяются во всех направлениях при повышении температуры. На этих рисунках исходные границы объектов показаны сплошными линиями, а расширенные границы — пунктирными линиями. а) Площадь увеличивается, потому что увеличиваются и длина, и ширина. Площадь круглой пробки также увеличивается. (b) Если заглушка удалена, отверстие, которое она оставляет, становится больше с повышением температуры, как если бы расширяющаяся заглушка оставалась на месте. в) Объем также увеличивается, потому что увеличиваются все три измерения.

Тепловое расширение – Объемное расширение : Краткое введение в тепловое расширение для студентов.

Ниже приведены математические определения этих коэффициентов для твердых тел, жидкостей и газов:

\[\mathrm{α_V=\dfrac{1}{V}(\dfrac{∂V}{∂T})p. } \]

Нижний индекс p указывает на то, что давление поддерживается постоянным во время расширения. В случае газа важен тот факт, что давление поддерживается постоянным, поскольку объем газа будет заметно меняться как в зависимости от давления, так и от температуры.

Для твердого тела можно пренебречь влиянием давления на материал, поэтому коэффициент объемного теплового расширения можно записать:

\[\mathrm{α_V=\dfrac{1}{V}\dfrac{dV}{ dT},}\]

где V — объем материала, а dV/dT — скорость изменения этого объема с температурой. Это означает, что объем материала изменяется на некоторую фиксированную дробную величину. Например, стальной блок объемом 1 кубический метр может расшириться до 1,002 кубических метра при повышении температуры на 50 °C. Это расширение на 0,2%. Коэффициент объемного расширения составит 0,2 % при 50 °C или 0,004 % на градус C. 92ΔL} \\ & \mathrm{=V+3V\dfrac{ΔL}{L}.} \end{align}\]

Аппроксимация выполняется для достаточно малого \(\mathrm{ΔL}\) по сравнению с L Поскольку:

\[\mathrm{\dfrac{ΔV}{V}=3\dfrac{ΔL}{L}}\]

(и из определений тепловых коэффициентов), мы получаем:

\[\mathrm{α_V=3α_L}\]

Особые свойства воды

Объекты будут расширяться при повышении температуры, но вода является наиболее важным исключением из общего правила.

цели обучения

Описать свойства воды при тепловом расширении

Особые свойства воды

Обычно объекты расширяются при повышении температуры. Однако ряд материалов сжимается при нагревании в определенных диапазонах температур; это обычно называют отрицательным тепловым расширением, а не «тепловым сжатием». Вода — важнейшее исключение из общего правила. Вода обладает этой уникальной характеристикой из-за особой природы водородной связи в H ₂ O.

Плотность воды при изменении температуры

При температуре выше 4ºC (40ºF) вода расширяется с повышением температуры (ее плотность уменьшается). Однако он расширяется при понижении температуры, когда она находится в диапазоне от +4ºC до 0ºC (от 40ºF до 32ºF). Вода наиболее плотная при +4ºC.

Плотность воды в зависимости от температуры : Плотность воды в зависимости от температуры. Обратите внимание, что тепловое расширение на самом деле очень мало. Максимальная плотность при +4ºC всего на 0,0075 % больше плотности при 2ºC и на 0,012 % больше плотности при 0ºC.

Пожалуй, самым ярким эффектом этого явления является замерзание воды в пруду. Когда вода у поверхности остывает до 4ºC, она становится более плотной, чем оставшаяся вода, и поэтому опускается на дно. Этот «обмен» приводит к образованию слоя более теплой воды у поверхности, которая затем охлаждается. В конце концов, пруд имеет равномерную температуру 4ºC. Если температура в поверхностном слое падает ниже 4ºC, вода имеет меньшую плотность, чем вода ниже, и, таким образом, остается ближе к поверхности.

В результате поверхность пруда может полностью замерзнуть, а на дне может оставаться температура 4ºC. Лед поверх жидкой воды обеспечивает изолирующий слой от суровых зимних температур наружного воздуха. Рыба и другие водные организмы могут выжить подо льдом в воде с температурой 4ºC из-за этой необычной характеристики воды. Он также производит циркуляцию воды в пруду, что необходимо для здоровой экосистемы водоема.

Температура в озере : Распределение температуры в озере в теплые и холодные дни зимой

Лед против воды

Твердая форма большинства веществ более плотная, чем жидкая фаза; таким образом, блок большинства твердых тел будет тонуть в жидкости. Однако кусок льда плавает в жидкой воде, потому что лед менее плотный. При замерзании плотность воды уменьшается примерно на 9%.

Ключевые моменты

Межчастичный потенциал обычно принимает асимметричную форму, а не симметричную форму в зависимости от расстояния между частицами. Вот почему вещество расширяется и сжимается при изменении температуры.
Изменение длины объекта из-за теплового расширения связано с изменением температуры с помощью «коэффициента линейного расширения», который задается как \(\mathrm{α_L=\dfrac{1}{L} \dfrac{dL} {дТ}}\).
Коэффициент линейного расширения является приблизительным только для узкого диапазона температур.
Коэффициент теплового расширения площади связывает изменение размеров площади материала с изменением температуры. Он определяется как \(\mathrm{α_A=\dfrac{1}{A}\dfrac{dA}{dT}}\).
Соотношение между площадью и коэффициентом линейного теплового расширения определяется следующим образом: \(\mathrm{α_A=2α_L}\).
Как и коэффициент линейного расширения, коэффициент теплового расширения площади работает как приближение только в узком интервале температур.
Вещества, расширяющиеся с одинаковой скоростью во всех направлениях, называются изотропными.
В случае газа расширение зависит от того, как изменилось давление в процессе, потому что объем газа будет заметно меняться в зависимости от давления, а также температуры.
Для твердого тела можно пренебречь влиянием давления на материал, а объемный коэффициент теплового расширения можно записать в виде \(\mathrm{α_V=\dfrac{1}{V}\dfrac{dV}{dT}} \). Для изотропных материалов \(\mathrm{α_V=3α_L}\).
Вода расширяется при повышении температуры (ее плотность уменьшается), когда она находится при температуре выше 4ºC (40ºF). Однако он расширяется при понижении температуры, когда она находится в диапазоне от +4ºC до 0ºC (от 40ºF до 32ºF). Вода наиболее плотная при +4ºC.
Из-за особого свойства воды при тепловом расширении поверхность пруда может полностью замерзнуть, а дно может оставаться при температуре 4ºC. Рыба и другие водные организмы могут выжить подо льдом в воде с температурой 4ºC из-за этой необычной характеристики воды.
Твердая форма большинства веществ более плотная, чем жидкая фаза; таким образом, блок большинства твердых тел будет тонуть в жидкости. Однако кусок льда плавает в жидкой воде, потому что лед менее плотный.

Основные термины

потенциал : Кривая, описывающая ситуацию, когда разница в потенциальной энергии объекта в двух разных положениях зависит только от этих положений.
Коэффициент линейного теплового расширения : Дробное изменение длины на градус изменения температуры.
изотропный : Имеющий свойства, идентичные во всех направлениях; проявляя изотропию.
водородная связь : Слабая связь, при которой атом водорода в одной молекуле притягивается к электроотрицательному атому (обычно азота или кислорода) в той же или другой молекуле.

ЛИЦЕНЗИИ И АВТОРСТВО

CC ЛИЦЕНЗИОННОЕ СОДЕРЖИМОЕ, ПРЕДОСТАВЛЕННОЕ РАНЕЕ

Курирование и пересмотр. Предоставлено : Boundless.com. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

CC ЛИЦЕНЗИОННОЕ СОДЕРЖИМОЕ, СПЕЦИАЛЬНОЕ АВТОРСТВО

Тепловое расширение. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Thermal_expansion . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
потенциал. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/potential . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
Тепловое расширение. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Thermal_expansion . Лицензия : CC BY: Attribution
Тепловое расширение. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=3P7gHzpXpmU . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
Безграничный. Предоставлено : Amazon Web Services. Расположен по адресу : s3. amazonaws.com/figures.boundless.com/510d56c6e4b0c14bf464b1af/1.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
Тепловое расширение. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Thermal_expansion%23Area_expansion . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
коэффициент линейного теплового расширения. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/linear%20thermal%20expansion%20коэффициент . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
Тепловое расширение. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Thermal_expansion . Лицензия : CC BY: Attribution
Тепловое расширение. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=3P7gHzpXpmU . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
Безграничный. Предоставлено : Amazon Web Services. Расположен по адресу : s3.amazonaws.com/figures.boundless.com/510d56c6e4b0c14bf464b1af/1.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
Колледж OpenStax, Тепловое расширение твердых тел и жидкостей. 2 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42215/latest/ . Лицензия : CC BY: Attribution
Тепловое расширение. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Thermal_expansion . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
коэффициент линейного теплового расширения. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/linear%20thermal%20expansion%20coefficient . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
изотропный. Предоставлено : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/isotropic . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
Тепловое расширение. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en. Wikipedia.org/wiki/Thermal_expansion . Лицензия : CC BY: Attribution
Тепловое расширение. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=3P7gHzpXpmU . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
Безграничный. Предоставлено : Amazon Web Services. Расположен по адресу : s3.amazonaws.com/figures.boundless.com/510d56c6e4b0c14bf464b1af/1.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
Колледж OpenStax, Тепловое расширение твердых тел и жидкостей. 2 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx. org/content/m42215/latest/ . Лицензия : CC BY: Attribution
Тепловое расширение — расширение объема. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=3P7gHzpXpmU . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
Колледж OpenStax, Тепловое расширение твердых тел и жидкостей. 2 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42215/latest/ . Лицензия : CC BY: Attribution
Колледж OpenStax, Тепловое расширение твердых тел и жидкостей. 17 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx. org/content/m42215/latest/ . Лицензия : CC BY: Attribution
Свойства воды. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Properties_of_water . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

Водородная связь

. Предоставлено : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/hydrogen_bond . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
Тепловое расширение. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Thermal_expansion . Лицензия : CC BY: Attribution
Тепловое расширение. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=3P7gHzpXpmU . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
Безграничный. Предоставлено : Amazon Web Services. Расположен по адресу : s3.amazonaws.com/figures.boundless.com/510d56c6e4b0c14bf464b1af/1.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
Колледж OpenStax, Тепловое расширение твердых тел и жидкостей. 2 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42215/latest/ . Лицензия : CC BY: Attribution
Тепловое расширение — расширение объема. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=3P7gHzpXpmU . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
Колледж OpenStax, Тепловое расширение твердых тел и жидкостей. 2 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42215/latest/ . Лицензия : CC BY: Attribution
Свойства воды. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Properties_of_water . Лицензия : CC BY: Attribution
Колледж OpenStax, Тепловое расширение твердых тел и жидкостей. 2 февраля 2013 г.