Formula ekspansi permukaan, koefisien dan contoh

Itu pelebaran superfisial Itu adalah ekspansi yang terjadi ketika suatu objek mengalami variasi permukaannya karena variasi suhu. Itu karena karakteristik material atau bentuk geometrisnya. Dilatasi mendominasi dalam dua dimensi dalam proporsi yang sama.

Misalnya dalam lembaran, ketika ada variasi suhu, itu adalah permukaan yang sama yang mengalami perubahan terbesar karena pelebaran termal.

Permukaan pelat logam yang biasanya terlihat di jalanan. Sumber: Pixabay.

Lembaran logam dari gambar sebelumnya meningkatkan lebar dan panjangnya cukup besar saat dipanaskan oleh radiasi matahari. Sebaliknya, keduanya menurun secara signifikan saat didinginkan karena penurunan suhu sekitar.

Karena alasan inilah, ketika ubin dipasang di satu lantai, beberapa tepi dengan yang lain tidak boleh dipukul, tetapi harus ada ruang pemisahan yang disebut papan dilatasi.

Selain itu, ruang ini diisi dengan campuran khusus yang memiliki tingkat fleksibilitas tertentu, mencegah ubin retak karena tekanan kuat yang dapat dihasilkan oleh pelebaran termal.

[TOC]

Apa itu pelebaran dangkal?

Dalam bahan yang kokoh, atom mempertahankan posisi relatifnya yang kurang lebih tetap di sekitar titik keseimbangan. Namun, karena agitasi termal, mereka selalu berosilasi di sekitarnya.

Dengan meningkatkan suhu, osilasi termal juga meningkat, menyebabkan posisi osilasi sedang berubah. Ini karena potensi tautan tidak persis parabola dan memiliki asimetri sekitar minimum.

Di bawah ini adalah gambar yang menguraikan energi ikatan kimia tergantung pada jarak interatomik. Total energi osilasi pada dua suhu juga ditunjukkan dan bagaimana pusat osilasi bergerak.

Itu dapat melayani Anda: Pascal Tonel: Cara kerjanya dan eksperimenLink Grafik Energi versus Jarak Interatomik. Sumber: Made sendiri.

Pelebaran superfisial dan koefisiennya

Untuk mengukur pelebaran superfisial, kita mulai dari area awal A dan suhu awal T, dari objek yang harus diukur pelebaran.

Misalkan objek ini adalah lamina area A, dan ketebalannya jauh lebih rendah dari akar kuadrat area a. Lembar mengalami variasi suhu ΔT, sehingga suhu akhir yang sama setelah keseimbangan termal dengan sumber panas akan ditetapkan akan menjadi t '= t+ Δt.

Selama proses termal ini, luas permukaan juga akan berubah menjadi nilai baru di '= a + Δa. Dengan demikian, koefisien pelebaran permukaan σ didefinisikan sebagai rasio antara variasi relatif luas per unit variasi suhu.

Formula berikut mendefinisikan koefisien pelebaran superfisial σ:

Koefisien pelebaran superfisial σ praktis konstan untuk berbagai nilai suhu.

Karena definisi σ dimensinya adalah suhu terbalik. Sebagai unit biasanya digunakan ° C^-1.

Koefisien pelebaran permukaan untuk berbagai bahan

Selanjutnya kami akan memberikan daftar koefisien pelebaran superfisial untuk beberapa bahan dan elemen. Koefisien dihitung dalam tekanan atmosfer normal berdasarkan suhu sekitar 25 ° C, dan nilainya dianggap konstan dalam kisaran ΔT dari -10 ° C hingga 100 ° C.

Unit koefisien pelebaran superfisial akan menjadi (° C)^-1

- Baja: σ = 24 ∙ 10^-6 (° C)^-1

- Aluminium: σ = 46 ∙ 10^-6 (° C)^-1

Itu dapat melayani Anda: magnetisasi: momen magnetik orbital dan putaran, contoh

- Emas: σ = 28 ∙ 10^-6 (° C)^-1

- Tembaga: σ = 34 ∙ 10^-6 (° C)^-1

- Kuningan: σ = 36 ∙ 10^-6 (° C)^-1

- Besi: σ = 24 ∙ 10^-6 (° C)^-1

- Kaca: σ = (14 hingga 18) ∙ 10^-6 (° C)^-1

- Kuarsa: σ = 0,8 ∙ 10^-6 (° C)^-1

- Diamond: σ = 2 ,, 4 ∙ 10^-6 (° C)^-1

- Timbal: σ = 60 ∙ 10^-6 (° C)^-1

- Kayu ek: σ = 108 ∙ 10^-6 (° C)^-1

- PVC: σ = 104 ∙ 10^-6 (° C)^-1

- Serat karbon: σ = -1,6 ∙ 10^-6 (° C)^-1

- Beton: σ = (16 hingga 24) ∙ 10^-6 (° C)^-1

Sebagian besar bahan membentang dengan kenaikan suhu. Namun, beberapa bahan seperti serat karbon memenuhi kenaikan suhu.

Contoh pemecahan pelebaran superfisial

Contoh 1

Pelat baja memiliki dimensi 3m x 5m. Di pagi hari dan di naungan suhunya adalah 14 ° C, tetapi pada siang hari matahari menghangatkannya hingga 52 ° C. Temukan area terakhir piring.

Larutan

Kami mulai dari definisi koefisien pelebaran superfisial:

Dari sini kami menghapus variasi di area tersebut:

Kami kemudian melanjutkan untuk mengganti nilai masing -masing untuk menemukan peningkatan area dengan kenaikan suhu.

Artinya, area terakhirnya adalah 15.014 meter persegi.

Contoh 2

Tunjukkan bahwa koefisien pelebaran superfisial adalah sekitar dua kali koefisien pelebaran linier.

Larutan

Misalkan kita mulai dari pelat persegi panjang dengan dimensi lebar lx dan long ly, maka area awalnya akan menjadi = lx ∙ ly

Dapat melayani Anda: skala termometrik

Ketika pelat mengalami peningkatan suhu Δt, maka dimensinya juga meningkat menjadi lebar baru lx 'dan ly long yang baru, sehingga area barunya akan menjadi' = lx '∙ ly'

Variasi yang diderita oleh area pelat karena perubahan suhu kemudian akan terjadi

Δa = lx '∙ ly' - lx ∙ ly

di mana lx '= lx (1 + α Δt) dan ly' = ly (1 + α Δt)

Artinya, bahwa perubahan area tergantung pada koefisien pelebaran linier dan perubahan suhu akan:

Δa = lx (1 + α Δt) ∙ ly (1 + α Δt) - lx ∙ ly

Ini dapat ditulis ulang sebagai:

Δa = lx ∙ ly ∙ (1 + α Δt) ² - lx ∙ ly

Mengembangkan kuadrat dan mengalikan kami memiliki yang berikut:

SAYA

Karena α adalah urutan 10^-6, Dengan menaikkannya persegi itu adalah urutan 10^-12. Dengan demikian, istilah kuadratik dalam ekspresi sebelumnya tercela.

Maka peningkatan area dapat didekati dengan:

Δa ≈ 2α Δt lx ∙ ly

Tetapi peningkatan area tergantung pada koefisien pelebaran superfisial adalah:

Δa = γ Δt a

Dari mana ekspresi disimpulkan yang menghubungkan koefisien pelebaran linier dengan koefisien pelebaran superfisial.

γ ≈ 2 ∙ α

Referensi

1. Bauer, w. 2011. Fisika untuk Teknik dan Ilmu Pengetahuan. Volume 1. Mac Graw Hill. 422-527
2. Giancoli, d. 2006. Fisika: Prinsip dengan aplikasi. 6. Edisi. Prentice Hall. 238-249.