Vrijwel alle stoffen (vaste stoffen, vloeistoffen en gassen) zetten uit bij verwarming en krimpen bij afkoeling. De uitzetting van een stof bij verhitting wordt de thermische uitzetting van die stof genoemd. Er zijn drie soorten expansie: lineaire (toename in lengte), oppervlakkige (toename in oppervlakte) en kubusvormige expansie (toename in volume). Vaste stoffen hebben een duidelijke vorm, dus wanneer een vaste stof wordt verwarmd, zet deze in alle richtingen uit, dwz de lengte, het oppervlak en het volume nemen allemaal toe bij verwarming. Vloeistoffen en gassen vertonen alleen kubische uitzetting. Bij verhitting zetten vloeistoffen meer uit dan vaste stoffen en gassen zetten veel meer uit dan vloeistoffen. In deze les ga je leren:
Bij het verwarmen van een vaste stof neemt de gemiddelde kinetische energie van moleculen van de vaste stof toe. Ze beginnen met een grote amplitude rond hun gemiddelde positie te trillen. Het resultaat is dat hun gemiddelde positie verandert, zodat de intermoleculaire scheiding tussen de moleculen toeneemt, waardoor de vaste stof in alle richtingen uitzet.
Experiment: Pak een metalen bal en een ring.
i) Plaats de metalen bal en ring zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding (afbeelding a). De metalen bal moet net door de ring glijden als beide op kamertemperatuur zijn.
ii) Verwarm nu de metalen bal op een brander (figuur b)
iii) Plaats de ring opnieuw en probeer de bal door de ring te halen. Je zult merken dat de bal vast komt te zitten.
Reden: Bij verhitting zet de bal uit en wordt groter in diameter.
Laat de bal nu afkoelen en probeer de bal opnieuw door de ring te halen, je zult merken dat de bal nu door de ring gaat. Dit komt omdat bij afkoeling de bal samentrekt.
Lineaire Uitbreiding
Telkens wanneer er een toename is in de lengte van een lichaam als gevolg van verwarming, wordt de uitzetting lineaire uitzetting genoemd. Laten we eens kijken naar lineaire uitzetting in een metalen staaf. De toename van de lengte van een metalen staaf bij verwarming hangt af van de volgende drie factoren:
Opmerking: Toename van de lengte van een staaf bij verwarming is niet afhankelijk van het feit of deze hol of massief is
Oppervlakkige uitzetting van vaste stoffen
Wanneer een metalen plaat wordt verwarmd, nemen zowel de lengte als de breedte toe. Dit vergroot het oppervlak van de plaat. Een toename van het oppervlak van de plaat hangt af van:
Kubieke expansie van vaste stoffen
Wanneer vaste stof wordt verwarmd, nemen de lengte, breedte en dikte allemaal toe, waardoor het volume toeneemt. Experimenteel wordt waargenomen dat de toename van het volume van een vaste stof afhangt van:
| Als L 0 de lengte is van een staaf bij 0 o C en de lengte bij t o C is L t , dan wordt een toename in lengte gegeven als L t - L 0 = L 0 α t α is de lineaire uitzettingscoëfficiënt die afhangt van het materiaal van de staaf. De eenheid is per o C |
| Als A 0 de oppervlakte van een plaat op 0 o C is en de oppervlakte op t o C gelijk is aan A t , dan wordt een vergroting van de oppervlakte gegeven als A t - A 0 = A 0 β t is de oppervlakte-uitzettingscoëfficiënt die verschillend is voor verschillende vaste stoffen. |
| Als V 0 het volume is van een vaste stof bij 0 o C en de oppervlakte op t o C gelijk is aan V t , dan wordt de volumetoename gegeven als V t - V 0 = V 0 γ t γ is de kubieke uitzettingscoëfficiënt die voor verschillende materialen verschillend is. |
Relatie tussen α, β en γ: : β : γ = 1 : 2 : 3 |
Coëfficiënt van lineaire uitzetting van sommige vaste stoffen
| Substantie | Coëfficiënt van lineaire uitzetting ( x 10 -6 per o C) |
| Aluminium | 24 |
| Messing | 19 |
| Koper | 17 |
| Ijzer | 12 |
| Invar | 0,9 |
Thermische expansie van vaste stoffen in het dagelijks leven
1. Spoorrails : De rails van spoorrails zijn gemaakt van staal. Bij het leggen van de spoorrails op de houten of betonnen planten wordt een kleine opening gelaten tussen de opeenvolgende lengtes van de rails, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. De reden is dat in de zomer als gevolg van de stijging van de atmosferische temperatuur elke rail de neiging heeft om in lengte toe te nemen, dus er blijft een opening tussen de twee rails, anders zal de rail zijwaarts buigen.
2. Elektriciteitskabels en telefoondraden: De elektrische kabel in de hoogspanningsleiding en telefoondraden tussen twee polen kunnen in de winter door krimp breken en in de zomer door uitzetting doorhangen. Daarom wordt er bij het aanbrengen van de draad tussen twee palen voor gezorgd dat ze in de zomer enigszins los worden gehouden, zodat ze in de winter niet kunnen breken door samentrekking. En tijdens het leggen in de winter worden ze panty's gehouden zodat ze in de zomer niet te veel doorhangen door uitzetting.
3. Glaswerk dat in de keuken wordt gebruikt: Glaswerk dat in de keuken wordt gebruikt, is over het algemeen gemaakt van pyrexglas. De reden is dat het pyrex-glas een zeer lage kubische uitzettingscoëfficiënt heeft, zodat het glaswerk bij verwarming niet uitzet en barst.
Net als vaste stoffen zetten vloeistoffen meestal ook uit bij verwarming. Vloeistoffen zetten veel meer uit dan de vaste stoffen bij verhitting. Omdat vloeistof geen bepaalde vorm heeft maar een bepaald volume heeft, hebben vloeistoffen daarom alleen een kubusvormige uitzetting.
Uitzondering: Water krimpt bij verwarming van 0 o C tot 4 o C en dan boven 4 o C bij verdere verwarming zet het uit. Dit wordt abnormaal gedrag van water genoemd.
Experiment: Neem een pot, vul het driekwart deel met water en sluit de pot. Houd het op het vuur. Je zult merken dat naarmate het water meer en meer wordt verwarmd, het waterpeil in de pot stijgt.
Let op: Wanneer een vloeistof in de pot wordt verwarmd, wordt de pot eerst verwarmd en zet deze uit waardoor het vloeistofniveau daalt. Daarna, wanneer de warmte de vloeistof bereikt, zal deze uitzetten, zodat het vloeistofniveau zal stijgen. De werkelijke uitzetting van vloeistof is dus meer dan de waargenomen uitzetting.
Factoren die de kubusvormige uitzetting van een vloeistof beïnvloeden
De kubusvormige uitzetting van een vloeistof hangt af van de volgende drie factoren:
Als V 0 het vloeistofvolume bij 0 o C is en V t het vloeistofvolume bij t o C, dan wordt een toename van het vloeistofvolume gegeven als
V t - V o = V 0 t
waarbij γ de kubieke uitzettingscoëfficiënt van de vloeistof is .
Coëfficiënt van kubusvormige uitzetting van sommige vloeistoffen
| Vloeistof | Coëfficiënt van kubusvormige uitzetting γ ( x 10 -4 per o C) |
| Kwik | 1.8 |
| Water (boven 15 O C) | 3.7 |
| Petroleum | 9.0 |
| Alcohol | 11.0 |
Toepassing van thermische uitzetting van vloeistoffen in het dagelijks leven
Thermische uitzetting van vloeistof wordt gebruikt bij de werking van een kwikthermometer. Kwikthermometer bestaat uit een capillaire buis met een gesloten uiteinde en een cilindrische bol aan het andere uiteinde. De bol is gevuld met kwik. Kwik is een glanzende vloeistof, dus het niveau ervan is gemakkelijk te zien in het capillaire buisje. Wanneer de bol van de thermometer in contact wordt gehouden met een heet lichaam, zet het kwik uit. Het kwikgehalte stijgt in de capillaire buis. De buis is gegradueerd om de temperatuur af te lezen. Voor elke graad Celsius temperatuurstijging zet kwik met hetzelfde volume uit, zodat de kalibratie van de thermometer gemakkelijker wordt.
Gassen zetten ook uit als ze worden verwarmd. Gassen zetten veel meer uit dan vloeistoffen en vaste stoffen. Net als vloeistoffen hebben de gassen geen vaste vorm, dus hebben ze ook alleen een kubusvormige uitzetting. Gassen die zich in een vast volume bevinden, kunnen echter niet uitzetten - en dus leiden temperatuurstijgingen tot drukverhogingen.
Experiment: Neem een lege fles. Bevestig een rubberen ballon aan zijn nek. In eerste instantie wordt de ballon leeggelaten. Plaats de fles in een waterbad met kokend water. Na enige tijd zult u merken dat de ballon wordt opgeblazen zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Dit laat zien dat bij verwarming de lucht in de fles uitzet en de ballon vult, zodat de ballon wordt opgeblazen.
Toepassing van thermische uitzetting van gassen in het dagelijks leven
Heteluchtballon: Heteluchtballonnen werken volgens het principe van thermische uitzettingsverschil tussen een gas en een vaste stof. Omdat de hete lucht in de ballonzak sneller in omvang toeneemt dan de container, rekt deze de zak uit zodat deze uitzet en de koudere (zwaardere) lucht buiten de zak verdringt. Het verschil tussen de dichtheid van de lucht binnen en buiten de zak zorgt ervoor dat de ballon stijgt. Door de lucht in de zak af te koelen, daalt de ballon.
Wanneer een stof wordt verwarmd, neemt het volume toe terwijl de massa hetzelfde blijft, daarom neemt de dichtheid van de stof (zijnde de verhouding tussen massa en volume) af met de toename van de temperatuur. In het geval van vaste stoffen is de afname in dichtheid niet merkbaar, maar in het geval van vloeistoffen en gassen, als de temperatuur toeneemt, neemt het volume met een aanzienlijke hoeveelheid toe, en daarom is een afname van de dichtheid behoorlijk merkbaar.
