Dette indlæg indeholder også:

• Thermisk ekspansion Definition
• Thermisk ekspansion Eksempler
• Anvendelser
• Meget mere

Læs videre…

Thermisk ekspansion definition

De fleste stoffer faste stoffer, væske og gasser udvider sig ved opvarmning og trækker sig sammen ved afkøling. Deres termiske udvidelser og sammentrækninger er normalt små og er ikke mærkbare. Disse udvidelser og sammentrækninger er imidlertid vigtige i vores dagligdag.

Den kinetiske energi af molekylerne i et objekt afhænger af dets temperatur. Molekylerne i et fast stof vibrerer med større amplitude ved en høj temperatur end ved en lav temperatur. Ved opvarmning øges amplituden af vibrationerne af atomerne eller molekylerne i en genstand således ved opvarmning. De skubber hinanden længere væk, efterhånden som amplituden af vibrationerne øges. Termisk ekspansion resulterer i en forøgelse af et stofs længde, bredde og tykkelse.

Lad os se videoen nu :

Hvad er forskellen mellem lineær termisk ekspansion og termisk volumenudvidelse?

Linær termisk ekspansion i faste stoffer

Det er blevet observeret, at faste stoffer udvider sig ved opvarmning, og deres udvidelse er næsten ensartet over et bredt temperaturområde. Betragt en metalstang med en længde L° ved en bestemt temperatur T°. Lad dens længde ved opvarmning til en temperatur T blive L. Således

Længdeforøgelse af stavens længde = ΔL = L – L0

Temperaturforøgelse = ΔT = T – T°

Det viser sig, at ændringen i længde ΔL af faststoffet er direkte proportional med dets oprindelige længde L° og ændringen i temperatur Δ T. Det vil sige

ΔL ∝ L0ΔT

ΔL =αL0ΔT …….(1)

L – L0=αL0ΔT

eller L =L0(1+αΔT) …..(2)

Hvor α kaldes stoffets lineære varmeudvidelseskoefficient. Af ligning (1) får vi

α = ΔL/L°ΔT

Lineær udvidelseskoefficient

Et stofs lineære udvidelseskoefficient α er brøkdelsstigningen i længden pr. kelvin stigning i temperaturen.

Se også: Tabel over lineær termisk ekspansion for nogle materialer:

Volume termisk ekspansion

Volumen termisk ekspansion

Volumenet af et fast stof ændrer sig også med ændringen i temperatur og kaldes volumen termisk ekspansion eller kubisk termisk ekspansion. Betragt et fast stof med et begyndelsesvolumen på V°. Ved opvarmning, faststoffet til en temperatur T, lad dets volumen blive V, så

Vandring i et fast stofs volumen ΔV = V – V°

ændring i temperatur ΔT = T – T°

Lige lineær ekspansion, findes ændringen i volumen ΔV at være proportional med dets oprindelige volumen V°, og ændringen i temperatur ΔT. Således

ΔV ∝ V° ΔT

ΔV=βV° ΔT ……(3)

V – V°=βV° ΔT

V = V°(1 + βΔT)

Hvor β er temperaturkoefficienten for volumenudvidelse. Af ligning (3) får vi

β = ΔV/V° Δ

Volumeudvidelseskoefficient

Temperaturkoefficienten for volumenudvidelse β er den brøkdelvise ændring af dens volumen pr. kelvin ændring i temperatur.

Se også: Strålingsenergi

formel for volumensudvidelseskoefficient

De lineære udvidelseskoefficienter og volumensudvidelseskoefficienterne hænger sammen ved ligningen:

β = 3 α

Værdierne for β for forskellige stoffer er angivet i tabellen:

Følgevirkninger af termisk udvidelse

Hvorfor er der huller i jernbaneskinner? Fysiske stoffers ekspansion kan beskadige broer, jernbanespor og veje, da de konstant udsættes for temperaturændringer. Så der tages højde for udvidelse og sammentrækning med temperaturen under sammentrækning. F.eks. bøjer jernbanespor på en varm sommerdag på grund af ekspansion, hvis der ikke efterlades huller mellem sektionerne.

Broer af stålbjælker udvider sig også i løbet af dagen og trækker sig sammen om natten. De bøjer sig, hvis deres ender er fastgjort. For at muliggøre termisk bjælke hviler på ruller i det mellemrum, der er efterladt til ekspansion.

Overliggende transmissionsledninger får også et vist gennemhæng, så de kan trække sig sammen om vinteren uden at knække.

Anvendelser af termisk ekspansion i hverdagen

Termisk ekspansion bruges i vores dagligdag.

Thermometre

I termometre bruges termisk ekspansion til temperaturmålinger.

Opløsning af tætte låg

For at åbne låget på en flaske, der er tæt nok, skal du dyppe varmt vand i det i et minut eller deromkring. Metalhætten udvider sig og bliver løs. Det vil nu være let at dreje den for at åbne den.

Nitning

For at samle stålplader tæt sammen tvinges rødglødende nitter gennem huller i pladerne. Enden af de varme nitter hamres derefter med hammer. Ved afkøling trækker nitterne sig sammen og bringer pladerne tæt sammen.

Fiksering af metaldæk på træhjul

Jernfælge fastgøres på træhjul på vogne. Jernfælge opvarmes. Den termiske udvidelse gør det muligt for dem at glide over træhjulet. Der hældes vand på dem for at afkøle dem. Fælgen trækker sig sammen og bliver tæt over hjulet.

Bimetalstrimler

En bimetalstrimler består af to tynde strimler af forskellige metaller, f.eks. messing og jern, der er sat sammen. Ved opvarmning af strimlen udvider messing sig mere end jern. Denne ulige udvidelse forårsager bøjning af strimlen.

Bimetalstrimler anvendes til forskellige formål. Bimetaltermometre bruges til at måle temperaturen, især i ovne og ovne. Bimetalbånd anvendes i termostater. En bimetaltermostat bruges til at regulere temperaturen på varmespolen i et elektrisk strygejern.

Thermostater

Termostaten er en varmeregulerende anordning, der fungerer efter princippet om termisk ekspansion.
Følg med os for at se anvendelser af ekspansion:

Eksempler på termisk ekspansion

Her er nogle eksempler på termisk ekspansion i vores dagligdag.

• Sprækker i vejen, når vejen udvider sig ved opvarmning.
• Sammenfald i el-ledninger.
• Vinduer med metalrammer har brug for gummiafstandsstykker for at undgå termisk udvidelse.
• Ekspansionssamlinger (som samling af to jernbanespor).
• Længden af metalstangen bliver længere ved opvarmning.
• Dækket brister på varme dage, når det er fyldt med luft på grund af termisk ekspansion.

Væskers termiske ekspansion

Væskers molekyler kan frit bevæge sig i alle retninger i væsken. Ved opvarmning af en væske øges den gennemsnitlige vibrationsamplitude af dens molekyler. Molekylerne skubber til hinanden og har brug for mere plads at indtage. Det er årsagen til væskens udvidelse ved opvarmning. Den termiske ekspansion i væsker er større end i faste stoffer på grund af de svage kræfter mellem deres molekyler. Derfor er volumenudvidelseskoefficienten for væsker større end for faste stoffer.

Væsker har ikke deres egen definitive form. En væske får altid den form, som den beholder, hvori den hældes, har. Når en væske opvarmes, undergår derfor både væsken og beholderen en ændring i deres volumen. Der er således to typer af termisk volumenudvidelse for væske.

• Apparent volumenudvidelse
• Egte volumenudvidelse

Anomal udvidelse af vand

Vand begynder ved afkøling under 4 C° at udvide sig, indtil det når 0 °C. Ved yderligere afkøling øges dets volumen pludseligt, da det overgår til is ved 0°C. Når is afkøles under 0 °C, trækker den sig sammen, dvs. dens volumen falder som faste stoffer. Denne usædvanlige udvidelse af vand kaldes vandets anomale ekspansion.

Relaterede emner:

• Varme og temperatur
• Thermisk ligevægt
• Thermometre
• Thermodynamik
• Intern energi
• Konvektion af varme