Toplotno raztezanje – težave in rešitve
1. Jeklena pločevina ima pri 20 ° C velikost, kot je prikazano na spodnji sliki. Če je koeficient linearnega raztezanja jekla 10⁻⁶ ° C⁻¹ , kakšna je sprememba površine pri 60 ° C?
Znano:
Dolžina jekla = 40 cm 
Širina jekla = 20 cm
Začetna površina jekla (A o ) = (40)(20) = 800 cm²
Koeficient linearnega raztezanja (α) = 10⁻⁶ ° C⁻¹
Koeficient površinskega raztezanja (β) = 2 x koeficient linearnega raztezanja (2α) = 2 x 10⁻⁶ ° C⁻¹
Sprememba temperature (ΔT) = 60 ° C – 20 ° C = 40 ° C
Iščem: Sprememba površine jekla pri 60 ° C
Rešitev:
Enačba širitve površine:
ΔA = β A o ΔT
ΔA = povečanje površine jekla, β = koeficient površinskega raztezanja, A o = začetna površina, ΔT = sprememba temperature = končna temperatura – začetna temperatura
Povečanje površine jekla:
ΔA = β A o ΔT
ΔA = (2 x 10 -5 )(800)(40) = 0.64 cm
2. Na spodnji sliki je prikazana železna plošča pri 20 ° C. Če se temperatura dvigne na 100 ° C in je koeficient linearnega raztezanja železa 1.1 x 10⁻⁷ ° C⁻¹ , kolikšna je končna površina plošče?
Znano:
Dolžina plošče = 2 m 
Širina plošče = 2 m
Začetna površina železa (A o ) = (2)(2) = 4 m 2
Koeficient linearnega raztezanja za železo (α) = 1.1 x 10⁻⁷ C⁻¹
Koeficient površinskega raztezanja za železo (β) = 2 x koeficient linearnega raztezanja za železo (2α) = 2.2 x 10⁻⁷ C⁻¹
Sprememba temperature (ΔT) = 100 ° C – 20 ° C = 80 ° C
Iščem : Površina železa pri 100 ° C
Rešitev:
Povečanje dolžine:
ΔA = β A o ΔT
ΔA = (2.2 × 10⁻⁷ ) (4)(80) = 704 × 10⁻⁷ = 0,0000704 m²
Območje železa:
Površina železa = začetna površina + povečanje površine
Površina železa = 4 m² + 0.0000704 m²
Površina železa = 4.0000704 m²
3. Bronasta plošča s koeficientom linearnega raztezanja α = 18.10⁻⁶ ° C⁻¹ pri 0 ° C ima velikost , kot je prikazano na spodnji sliki. Če ploščo segrejemo na 80 ° C, kako se poveča njena površina?
Znano:
Dolžina bronaste figure = 40 cm = 0.4 metra
Širina brona = 20 cm = 0.2 metra
Začetna površina brona (A o ) = (0.4)(0.2) = 0.08 m 2
Koeficient linearnega raztezanja za bron (α) = 18 x 10⁻⁶ ° C⁻¹
Koeficient površinskega raztezanja za bron (β) = 2 x Koeficient linearnega raztezanja (2α) = 36 x 10⁻⁶ ° C⁻¹
Sprememba temperature (ΔT) = 80 ° C – 0 ° C = 80 ° C
Iščemo: Povečanje površine brona pri 80 ° C
Rešitev:
Povečanje površine za bron:
ΔA = β A o ΔT
ΔA = (36 × 10⁻⁶ ) ( 0.08)(80) = 230.4 × 10⁻⁶ = 2.304 × 10⁻⁴ m²
4. Steklena posoda s prostornino 4 litre, napolnjena z vodo, se segreva, dokler se temperatura ne dvigne za 20 ° C . Pri tem se razlije nekaj vode. Koeficient linearnega raztezanja za steklo = 9 x 10⁻⁶ ° C⁻¹ ; koeficient volumskega raztezanja za vodo = 2.1 x 10⁻⁴ ° C⁻¹ . Določite prostornino razlite vode.
Znano:
Začetna prostornina plina in vode (Vo ) = 4 litri
Povišanje temperature stekla in vode (ΔT) = 20 ° C
Koeficient linearnega raztezanja za steklo (α) = 9 x 10⁻⁶ ° C⁻¹
Koeficient volumskega raztezanja za steklo (γ) = 3α = 3 (9 x 10⁻⁶ C⁻¹ ) = 27 x 10⁻⁶ C⁻¹
Koeficient volumskega raztezanja vode (γ) = 2.1 x 10⁻⁴ o C⁻¹
Išče se: Količina razlite vode
Rešitev:
Enačba ekspanzije volumna:
V = V o + γ V o ΔT
V – V o = γ V o ΔT
ΔV = γV o ΔT
V = končni volumen , V o = začetni volumen , ΔV = sprememba volumna , γ = koeficient volumskega raztezanja , ΔT = sprememba temperature.
Sprememba prostornine steklene posode:
ΔV = γV o ΔT = (27 x 10⁻⁶ ) (4)(20) = 2160 x 10⁻⁶ = 2.160 x 10⁻³ = 0.002160 litrov
Sprememba volumna vode:
ΔV = γV o ΔT = (2.1 x 10⁻³ ) (4)(20) = 168 x 10⁻³ = 0.0168 litra
Sprememba volumna vode je večja kot pri stekleni posodi, zato se nekaj vode razlije.
Količina razlite vode:
0.0168 litra – 0.002160 litra = 0.01464 litra = 0.015 litra
5. Jeklena posoda (koeficient linearnega raztezanja = 10⁻⁶ ° C⁻¹ ) s prostornino 6 litrov, napolnjena z acetonom (koeficient volumskega raztezanja = 1.5 x 10⁻³ ° C⁻¹ ) . Kolikšna je prostornina razlitega acetona, če posodo in aceton segrejemo od 0 ° C do 40 ° C?
Znano:
Začetni volumen posode in acetona (Vo ) = 6 litrov
Sprememba temperature posode in acetona (ΔT) = 40 ° C
Koeficient linearnega raztezanja za jeklo (α) = 10⁻⁶ ° C⁻¹
Koeficient volumskega raztezanja za jeklo (γ) = 3α = 3 (10⁻¹ ° C ) = 3 x 10⁻¹ ° C
Koeficient volumskega raztezanja za aceton (γ) = 1.5 x 10⁻³ o C⁻¹
Iščem: Količina razlitega acetona
Rešitev:
Enačba ekspanzije volumna:
ΔV = γV o ΔT
ΔV = sprememba prostornine , γ = koeficient razteznosti prostornine , Vo = začetni volumen , ΔT = sprememba temperature.
Sprememba prostornine jeklene posode:
ΔV = γV o ΔT = (3 x 10⁻⁶ ) (6)(40) = 720 x 10⁻⁶ = 0.00720 litra
Sprememba volumna acetona:
ΔV = γV o ΔT = (1.5 x 10⁻³ ) (6)(40) = 360 x 10⁻³ = 0.360 litra
Sprememba volumna acetona je večja kot pri jekleni posodi, zato so nekatere tablete acetona večje.
Količina razlitega acetona:
0.360 litra – 0.00720 litra = 0.3528 litra = 0.35 litra
- Kaj je toplotno raztezanje?
- Odgovor: Toplotno raztezanje se nanaša na nagnjenost snovi k spreminjanju njene prostornine kot odziv na spremembo temperature.
- Kako toplotni raztezek vpliva na gostoto snovi?
- Odgovor: Ko se snov toplotno razteza, se njen volumen poveča, kar vodi do zmanjšanja njene gostote, ob predpostavki, da njena masa ostane konstantna.
- Zakaj obstajajo vrzeli med deli mostov in železniških tirov?
- Odgovor: Te reže, pogosto imenovane dilatacijski spoji, so zasnovane tako, da se prilagodijo raztezanju in krčenju materiala zaradi temperaturnih sprememb in preprečijo morebitne deformacije ali poškodbe.
- Kakšna je razlika med linearno, volumetrično in površinsko ekspanzijo?
- Odgovor: Linearna ekspanzija se nanaša na spremembo ene dimenzije (kot je dolžina palice); površinska ekspanzija se nanaša na spremembo dveh dimenzij (kot je površina plošče); in volumetrična ekspanzija se nanaša na spremembo vseh treh dimenzij (kot je prostornina tekočine).
- Kako se določi koeficient linearnega raztezanja?
- Odgovor: Definirana je kot delna sprememba dolžine na stopnjo spremembe temperature pri konstantnem tlaku. Za snov je sprememba dolžine (∆L) zaradi spremembe temperature (∆T) podana z , Kjer je začetna dolžina in je koeficient linearnega raztezanja.
- Zakaj se bimetalni trakovi upognejo pri segrevanju ali ohlajanju?
- Odgovor: Bimetalni trak je sestavljen iz dveh različnih kovin, ki sta skupaj spojeni. Ker ima vsaka kovina svoj koeficient toplotnega raztezanja, se pri spremembi temperature raztezata ali krčita z različno hitrostjo. Zaradi tega različnega raztezanja se trak upogne.
- Kakšna je povezava med pojavom toplotnega raztezanja in dvigovanjem morske gladine?
- Odgovor: Del dviga morske gladine je mogoče pripisati toplotnemu raztezanju morske vode. Z naraščanjem temperature Zemlje se oceani segrevajo, kar vodi do širjenja vode in posledično dviga morske gladine.
- Kaj se zgodi pri "anomalnem širjenju vode"?
- Odgovor: Za razliko od večine snovi se voda pri ohlajanju s 4 °C na 0 °C širi, nato pa se pri zmrzovanju skrči. Ta anomalija pomeni, da ima voda največjo gostoto pri 4 °C. Zato led (ki je manj gost kot tekoča voda) plava na vodi.
- Zakaj je toplotno raztezanje pomembno v inženirstvu in gradbeništvu?
- Odgovor: Materiali se s spreminjanjem temperature raztezajo ali krčijo. Brez upoštevanja toplotnega raztezanja lahko konstrukcije doživijo prekomerne obremenitve, deformacije ali odpovedi. Inženirji in arhitekti vključujejo konstrukcijske elemente za varno obvladovanje teh sprememb.
- Ali se lahko toplotno raztezanje obrne?
- Odgovor: Da, material se običajno pri ohlajanju toplotno krči, kar je nasprotje toplotnega raztezanja. Stopnja in narava tega krčenja bosta odvisni od materiala in pogojev.