Apa itu pelebaran volumetrik? (Dengan contoh)

Dilatasi volumetrik adalah fenomena fisik yang menyiratkan variasi dalam tiga dimensi tubuh. Volume atau dimensi sebagian besar zat meningkat ketika mengalami panas; Ini adalah fenomena yang dikenal sebagai ekspansi termal, namun ada juga zat yang berkontraksi saat dipanaskan.

Meskipun perubahan volume relatif kecil untuk padatan, mereka sangat penting secara teknis, terutama dalam situasi di mana ia ingin bergabung dengan bahan yang berkembang secara berbeda.

Bentuk beberapa padatan mengalami distorsi ketika dipanaskan dan dapat mengembang ke beberapa arah dan berkontraksi pada yang lain. Namun, ketika hanya ada pelebaran dalam sejumlah dimensi tertentu, ada klasifikasi untuk ekspansi tersebut:

• Dilatasi linier terjadi ketika variasi dalam dimensi tertentu mendominasi, seperti panjang, lebar atau tinggi tubuh.
• Dilatasi superfisial adalah di mana variasi dalam dua dari tiga dimensi mendominasi.
• Akhirnya, pelebaran volumetrik menyiratkan variasi dalam tiga dimensi tubuh.

Konsep dasar terkait ekspansi termal

Energi termal

Materi terdiri dari atom-atom yang bergerak terus menerus, baik bergerak atau bergetar. Energi kinetik (atau gerakan) yang digunakan atom untuk bergerak disebut energi termal, semakin cepat bergerak, semakin banyak energi termal yang dimilikinya.

Panas

Panas adalah energi panas yang ditransfer antara dua atau lebih zat atau dari satu zat ke zat lain dalam skala makroskopis. Ini berarti bahwa benda panas dapat melepaskan sebagian dari energi panasnya dan memengaruhi tubuh yang dekat dengannya.

Jumlah energi panas yang ditransfer tergantung pada sifat tubuh terdekat dan media yang memisahkannya.

Suhu

Konsep suhu adalah dasar untuk mempelajari efek panas, suhu tubuh adalah ukuran kemampuannya untuk mentransfer panas ke benda lain.

Dua benda saling kontak atau dipisahkan oleh media yang cocok (konduktor panas) akan berada pada suhu yang sama jika tidak ada aliran panas di antara mereka. Demikian pula, benda X akan ditemukan pada suhu yang lebih besar dari benda Y jika panas mengalir dari X ke Y.

Apa sifat dasar ekspansi termal?

Ini jelas terkait dengan perubahan suhu, semakin tinggi suhu, semakin besar ekspansi. Ini juga tergantung pada struktur internal material, dalam termometer, ekspansi merkuri jauh lebih besar daripada ekspansi kaca yang mengandungnya.

Apa penyebab mendasar ekspansi termal?

Peningkatan suhu menyiratkan peningkatan energi kinetik masing-masing atom dalam suatu zat. Dalam zat padat, tidak seperti gas, atom atau molekul saling berdekatan, tetapi energi kinetiknya (dalam bentuk getaran kecil dan cepat) memisahkan atom atau molekul dari satu sama lain.

Pemisahan antara atom-atom tetangga menjadi semakin besar dan menghasilkan peningkatan ukuran padatan.

Untuk sebagian besar zat dalam kondisi biasa, tidak ada arah yang disukai di mana ekspansi termal terjadi, dan meningkatkan suhu akan meningkatkan ukuran padatan dengan fraksi tertentu di setiap dimensi.

Dilatasi linier

Contoh paling sederhana dari pelebaran adalah ekspansi dalam satu dimensi (linier). Secara eksperimental ditemukan bahwa perubahan panjang ΔL suatu zat sebanding dengan perubahan suhu ΔT dan panjang awal Lo (Gambar 1). Kami dapat mewakili ini dengan cara berikut:

DL = aLoDT

di mana α adalah koefisien proporsionalitas yang disebut koefisien ekspansi linier dan merupakan karakteristik dari masing-masing bahan. Beberapa nilai koefisien ini ditunjukkan pada tabel A.

Koefisien ekspansi linier lebih besar untuk bahan yang mengalami ekspansi lebih besar untuk setiap derajat celcius yang suhunya naik.

Dilatasi permukaan

Ketika sebuah pesawat dimasukkan ke dalam benda padat, sehingga bidang ini adalah yang mengalami ekspansi termal (Gambar 2), perubahan area ΔA diberikan oleh:

DA = 2aA0

di mana ΔA adalah perubahan di area awal Ao, T adalah perubahan suhu dan α adalah koefisien ekspansi linier.

Dilatasi volumetrik

Seperti dalam kasus-kasus sebelumnya, perubahan volume ΔV dapat diperkirakan dengan hubungannya (Gambar 3). Persamaan ini biasanya ditulis sebagai berikut:

DV = bVoDT

di mana β adalah koefisien ekspansi volumetrik dan kira-kira sama dengan 3α Λα τα ßλα 2 nilai-nilai koefisien ekspansi volumetrik untuk beberapa bahan ditampilkan.

Secara umum, zat akan mengembang di bawah peningkatan suhu, air adalah pengecualian paling penting untuk aturan ini. Air mengembang ketika suhunya meningkat ketika lebih tinggi dari 4ºC.

Namun, itu juga mengembang pada penurunan suhu di kisaran 4 ° C hingga 0 ° C. Efek ini dapat diamati ketika air ditempatkan di dalam lemari es, air mengembang saat beku dan sulit untuk mengekstrak es dari wadahnya dengan ekspansi ini.

Contohnya

Perbedaan dalam pelebaran volumetrik dapat menyebabkan efek menarik di pompa bensin. Contohnya adalah tetesan bensin di tangki yang baru saja diisi saat hari panas.

Bensin mendinginkan tangki baja ketika dituang, dan bensin dan tangki mengembang dengan suhu udara di sekitarnya. Namun, bensin melebar jauh lebih cepat daripada baja, dan dengan demikian menetes keluar dari tangki.

Perbedaan ekspansi antara bensin dan tangki yang mengandungnya dapat menyebabkan masalah saat membaca indikator level bahan bakar. Jumlah bensin (massa) yang tersisa di tangki ketika indikator mencapai tingkat vakum jauh lebih rendah di musim panas daripada di musim dingin.

Bensin memiliki volume yang sama di kedua stasiun ketika lampu peringatan menyala, tetapi karena bensin membesar selama musim panas, ia memiliki massa yang lebih rendah.

Sebagai contoh, dapat dianggap sebagai tangki bensin baja penuh, dengan kapasitas 60L. Jika suhu tangki dan bensin adalah 15ºC, berapa banyak gas yang akan tumpah ketika mencapai suhu 35ºC?

Tangki dan bensin akan meningkat volumenya karena kenaikan suhu, tetapi bensin akan meningkat lebih dari tangki. Jadi, bensin yang tumpah akan menjadi perbedaan perubahan volume Anda. Persamaan ekspansi volumetrik kemudian dapat digunakan untuk menghitung perubahan volume:

Volume yang tumpah karena kenaikan suhu adalah:

Menggabungkan 3 persamaan ini dalam satu, kita memiliki:

Dari tabel 2 diperoleh nilai koefisien ekspansi volumetrik, yang menggantikan nilai:

Meskipun jumlah gas yang tumpah ini relatif tidak signifikan dibandingkan dengan tangki 60 L, efeknya mengejutkan karena bensin dan baja berkembang sangat cepat.

Daftar pustaka

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Thermal Expansion dari Solids ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Fisika Solid-State: Pengantar Prinsip-Prinsip Ilmu Material Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Fisika, Volume 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elemen Fisika Klasik Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Heat dan Termodinamika. Editorial Aguilar, 1979.