ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. Φυσική. Ενότητα # 9: Θερμότητα

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Φυσική Ενότητα # 9: Θερμότητα Μυροφόρα Πηλακούτα Τμήμα Μηχανικών Αυτοματισμού ΤΕ

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Θερμική Διαστολή Ενότητα # 9: Θερμότητα Μέρος Β 4

5 Θερμική Διαστολή (1) Η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί αύξηση της μέσης ενέργειας των δομικών λίθων ενός σώματος με αποτέλεσμα την αύξηση του πλάτους των ταλαντώσεων των ατόμων/μορίων. Αυτό οδηγεί σε αύξηση της μέση απόσταση μεταξύ των ατόμων με αποτέλεσμα την αύξηση των διαστάσεων του σώματος 5

6 Θερμική Διαστολή (2) 6

7 Θερμική Διαστολή (3) Το τελικό μήκος L, σε σχέση με το αρχικό L ο και τη διαφορά της θερμοκρασίας Δθ, δίδεται προσεγγιστικά από τον τύπο L = L ο (1+αΔθ) όπου α: ο συντελεστής γραμμικής διαστολής (grad -1 ) Ο συντελεστής της γραμμικής διαστολής είναι γενικά θετικός αριθμός δηλαδή τα σώματα διαστέλλονται όσο αυξάνεται η θερμοκρασία τους. Η τιμή του συντελεστή της γραμμικής διαστολής, μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία α~10-5 (grad -1 ), 7

8 Θερμικές Τάσεις

9 Θερμικές Τάσεις (1) 9

10 Θερμικές Τάσεις (2) 10

11 Θερμικές Τάσεις (3) 11

12 Επιφανειακή Κυβική Διαστολή Επιφανειακή διαστολή Αύξηση του εμβαδού μια πλάκας, όταν θερμανθεί S = So (1+βΔθ) όπου So, S είναι το αρχικό και το τελικό εμβαδό της επιφάνειας της πλάκας και β ο συντελεστής της επιφανειακής διαστολής. β=2α Κυβική διαστολή V = Vo (1+γΔθ) όπου Vo, V είναι ο αρχικός και ο τελικός όγκος του σώματος και γ ο συντελεστής της κυβικής διαστολής. γ=3α 12

13 Θερμική Διαστολή Ρευστών Τα υγρά και τα αέρια (ρευστά) διαστέλλονται σημαντικά όταν αυξηθεί η θερμοκρασία τους. Γενικά ο όγκος των ρευστών αυξάνεται γραμμικά με τη θερμοκρασία με εξαίρεση το νερό που θα το σχολιάσουμε στη συνέχεια. Στις περισσότερες περιπτώσεις η διαστολή των ρευστών είναι μεγαλύτερη από αυτήν των στερεών Δοχεία βενζίνης Υδραργυρικό θερμόμετρο 13

14 Εφαρμογές Θερμικής Διαστολής 14

15 Εφαρμογές Διμεταλλικά ελάσματα (διακόπτης, θερμοστάτης, γενικά αυτόματοι ρυθμιστές) Σύνδεσμοι (αρμοί) διαστολής σε κατασκευές Χρήση υλικών με περίπου ίδιους συντελεστές διαστολής 15

16 Μεταβολή πυκνότητας με τη θερμοκρασία (1) 16

17 Μεταβολή πυκνότητας με τη Η μεταβολή του όγκου με τη θερμοκρασία έχει ως αποτέλεσμα αντίστοιχη μεταβολή της πυκνότητας, θερμοκρασία (2) Ανωμαλία του νερού 17

18 Μεταβολή πυκνότητας με τη θερμοκρασία (3) Ανωμαλία του νερού: ελαχιστοποίηση του όγκου και μεγιστοποίηση της πυκνότητάς του στους 4 ο C Τα μόρια του νερού στην κρυσταλλική τους μορφή έχουν ανοικτή εξαγωνική διάταξη η οποία προκαλεί την διαστολή του νερού κατά την πήξη. Ετσι ο πάγος είναι λιγότερο πυκνός από το νερό και επιπλέει σε αυτό. 18

19 Μεταβολή πυκνότητας με τη Μεταβολή πυκνότητας με τη θερμοκρασία (4) θερμοκρασία Μείωση της θερμοκρασίας του νερού μέχρι τους 4 ο C προκαλεί αύξηση της πυκνότητας και του βάρους του. Τα πυκνότερα στρώματα νερού βυθίζονται, ενώ τα αραιότερα ανεβαίνουν προς τα πάνω προκαλώντας ανάμιξη των επιφανειακών στρωμάτων με τα βαθύτερα, εξισώνοντας έτσι τη θερμοκρασία στο σύνολο του υδάτινου όγκου. Το γεγονός αυτό εξασφαλίζει τη ζωή σε λίμνες, θάλασσες και ποτάμια που παγώνουν κατά τη διάρκεια των ψυχρών εποχών του έτους. 19

20 Βιβλιογραφία YOUNG H., University Physics, Addison-Wesley (Εκδόσεις Παπαζήση 1990). SERWAY, Physics For Scientists & Engineers, Saunders College Publishing (Ελληνική Έκδοση 1990). Haliday D Resnick R.,ΦΥΣΙΚΗ Ι &ΙΙ (Έκδοση Γ.Πνευματικού). Η.Ohanian: «Φυσική» A Τόμος Μηχανική : Κεφάλαιο 20 Paul G.Hewitt Οι έννοιες της Φυσικής Τόμος Ι (Παν.Εκδόσεις Κρήτης) 20

21 Τέλος Μέρος Β Ενότητα #9 21