38. Szilárd testek hőtágulása
38. Szilárd testek hőtágulása
A szilárd testek hőtágulása
A mindennapokban is jól megfigyelhető, hogy a testek mérete megváltozik, ha melegítjük vagy hűtjük őket. A legtöbb szilárd anyag melegítés hatására kitágul, hűtéskor pedig összehúzódik. A tágulás oka, hogy a részecskék nagyobb hőmérsékleten erősebben rezegnek, ezért nagyobb helyet igényelnek.
Bár a legtöbb anyag tágul, léteznek olyan különleges ötvözetek és műanyagok, amelyek melegítésre összehúzódnak. Ezeket például hőre zsugorodó csövekben, kábelvédő burkolatokban, csomagolóanyagokban használják, ahol a melegítés hatására szoros illeszkedésre van szükség.
Lineáris hőtágulás
Hosszú, vékony testeknél (pl. huzalok, sínek, rudak) a hosszváltozás a legfontosabb, mert a keresztmetszet változása ehhez képest elhanyagolható. Ilyenkor lineáris hőtágulásról beszélünk. A hosszváltozás arányos:
az eredeti hosszal,
a hőmérséklet-változással.
Ezt a kapcsolatot a lineáris hőtágulási együttható (α) jellemzi. A hosszváltozás képlete:
Δl=α⋅l0⋅ΔT
Felületi hőtágulás
Vékony lemezeknél a vastagság elhanyagolható, ezért a felület változása a lényeges. A felületi hőtágulási együttható értéke közel 2α, vagyis kétszerese a lineárisnak.
A felület változása arányos:
az eredeti felülettel A0,
a hőmérséklet-változással ΔT.
A felületi hőtágulási együttható értéke:
2α
Felületváltozás képlete:
ΔA=2α⋅A0⋅ΔT
Térfogati hőtágulás
Ha a test három mérete hasonló nagyságrendű (pl. kocka, gömb), akkor mindhárom irány tágulását figyelembe kell venni. A térfogati hőtágulási együttható (β) értéke közel 3α.
A térfogatváltozás képlete:
ΔV=β⋅V0⋅ΔT
Üreges testek tágulása
Fontos jelenség, hogy az üreges testek úgy tágulnak, mintha tömör anyagból lennének: az üreg mérete is nő. Ezt mutatja a Gravesande-készülék is, ahol a felmelegített golyó nem fér át a gyűrűn, de ha a gyűrűt is felmelegítjük, ismét átcsúszik rajta.
Gyakorlati alkalmazások
A hőtágulás jelenségét számos technikai megoldás használja ki:
vasúti sínek hézagolása,
hidak dilatációs szerkezetei,
bimetál hőmérők és termosztátok,
kerékabroncsok felhelyezése melegen,
hőre zsugorodó csövek elektromos szerelésekben.
A hőtágulás tehát nemcsak fizikai jelenség, hanem a mérnöki gyakorlat egyik alapvető tervezési szempontja.
Feladatok:
https://kemfiz.hu/fizika_kozep_hotan.html
Hőtágulás: 2, 4, 6, 7, 8, 10, 12, 13, 14, 15, 17, 21, 27, 28, 30.
2. Egy öntöttvas félgyűrűt melegítünk.
C Válasz: A félgyűrű minden irányban arányosan kitágul, ezért az alakja változatlan marad, csak nagyobb lesz.
Indoklás: A szilárd testek egyenletesen tágulnak.
4. Vasbetonban melyik anyag tágul jobban?
Válasz: A vas és a beton gyakorlatilag ugyanannyira tágul, ezért együtt használhatók.
Indoklás: A hőtágulási együtthatójuk közel azonos.
6. Mi történik a réz lakat kulcslyukával melegítéskor?
Válasz: A kulcslyuk nagyobb lesz, mert a lyuk úgy tágul, mintha anyag töltené ki.
Indoklás: A tágulás minden irányban érvényes, a lyukra is.
7. Merre hajlik a bimetál melegítéskor?
Válasz: A kisebb hőtágulású oldal felé hajlik, mert a másik jobban hosszabbodik.
Indoklás: A két oldal eltérő mértékben tágul.
8. Két különböző anyagú drótot melegítünk. Melyik tágul jobban?
Válasz: Nem dönthető el, mert nem ismerjük az anyagokat.
Indoklás: A tágulás az anyagtól függ.
10. Két összeszegecselt rézlemez melegítése.
Válasz: A lemezek egyenesek maradnak, mert azonos mértékben tágulnak.
Indoklás: Azonos anyag → azonos hőtágulás.
11. A réznek vagy a levegőnek kisebb a térfogati tágulása?
Válasz: A réznek sokkal kisebb a térfogati tágulása, mint a levegőnek.
Indoklás: A gázok tágulása nagyságrendekkel nagyobb.
12. Miért púposodnak fel a sínek nyáron?
Válasz: Mert a sínek hosszabbodnak, és ha nincs helyük tágulni, felpúposodnak.
Indoklás: A hőtágulás feszültséget okoz.
13. Létezik-e anyag, amely melegítésre összehúzódik?
Válasz: Igen, a víz 0–4 °C között melegítéskor összehúzódik.
Indoklás: A víz különleges anomáliát mutat.
14. Mi történik egy üreges fémgolyó anyagával melegítéskor?
Válasz: A fém anyaga kitágul, ezért az üreg is nagyobb lesz.
Indoklás: A tágulás az egész testre érvényes.
15. Vasgyűrűbe szorított kocka melegítése.
Válasz: A rés kitágul, ezért a kocka kipottyanhat.
Indoklás: A gyűrű belső átmérője is nő.
17. Hideg és meleg mérőszalaggal mért távolság összehasonlítása.
Válasz: A hideg mérőszalaggal nagyobb távolságot mérünk, mert rövidebb, így több beosztás fér ki ugyanarra a hosszra.
Indoklás: A mérőszalag is tágul.
21. Átmehet-e a golyó a karikán melegítés után?
Válasz: Igen, ha a karika jobban tágul, mint a golyó, akkor átcsúszhat rajta.
Indoklás: A különböző anyagok különböző mértékben tágulnak.
26. Hogyan lehet egy szűk fémkarikát ráhúzni egy csőre?
Válasz: A karikát meg kell melegíteni, hogy kitáguljon.
Indoklás: A melegítés növeli a méreteit.
27. Mi a spirál szerepe a hőmérőben?
Válasz: A spirál bimetál, amely hőtágulás miatt elfordul, és mozgatja a mutatót.
Indoklás: A két fém eltérő tágulása hozza létre a mozgást.
28. Merre hajlik a bimetálszalag hőmérsékletváltozáskor?
Válasz: Melegítéskor a nagyobb tágulású oldal felé, hűtéskor a kisebb felé hajlik.
Indoklás: A két oldal különböző mértékben változtatja a hosszát.
30. Hol van a nagyobb tágulású fém a bimetál kapcsolóban?
Válasz: Felül helyezkedik el, hogy melegítéskor felfelé hajlítsa el a kapcsolót.
Indoklás: A működéshez szükséges, hogy a nagyobb tágulású oldal legyen felül.