Hvad er termisk ekspansion?
termisk ekspansion er det fænomen, hvor en genstand eller et legeme udvides som reaktion på at blive opvarmet. Termisk ekspansion er mest indlysende i gasser og væsker, men kan stadig have en betydelig effekt på faste stoffer.
Figure1: jernbanespor bøjet på grund af lineær termisk udvidelseskoefficient
De termiske egenskaber af en solid er et meget vigtigt aspekt i udformningen af fabrikker og produkter., Hvis termisk ekspansion ikke overvejes under konstruktion og design, kan resultatet være store strukturelle skader i en maskine eller bygning. Der er truffet utallige foranstaltninger for at forhindre dette, og mange geniale teknologier udvikles på baggrund af dette fænomen. Det beløb, som et materiale udvider, kan forklares ved at overveje en koefficient svarende til den fraktionerede vækst af materialet pr. Denne koefficient kaldes termisk udvidelseskoefficient og bruges til at forudsige væksten af materialer som reaktion på en kendt temperaturændring., Jo større denne koefficient er for et materiale, desto mere vil det udvide pr.
Figur 2: diagram over atom-vibrationer før og efter opvarmning.
når et legeme opvarmes, accepterer og opbevarer det energi i dets atomer i form af kinetisk energi. Denne eksponering for en øget temperatur får et atoms naturlige vibrationer til at blive stærkere og mere udtalt., Denne stigning i vibrationer skubber mod de inter-molekylære kræfter, så atomer eller molekyler bliver længere fra hinanden, og kroppen bliver større. Den mængde, hvormed et stof udvides som reaktion på en temperaturændring, er matematisk repræsenteret af en termisk udvidelseskoefficient. Denne koefficient er unik for hvert materiale og er baseret på deres andre fysiske egenskaber. Jo højere en termisk udvidelseskoefficient et materiale har, jo mere vil det ekspandere som reaktion på at blive opvarmet., Krystaller har en tendens til at have de laveste termiske ekspansionskoefficienter, fordi deres struktur er ekstremt ensartet og strukturelt lyd. Diamant har den laveste kendte termiske udvidelseskoefficient for alle naturligt forekommende materialer. De faste stoffer med de højeste koefficienter for termisk ekspansion er dem, der har svage inter-molekylære bindinger, typisk polymerer, som også har tendens til at have lave smeltepunkter. Årsagen til dette er, at svagere bindinger overvindes med mindre vibrationsenergi., Metaller har en tendens til at have relativt lave koefficienter, men de har også meget høje smeltepunkter, og de er ikke så synlige for et materielt svigt forårsaget af ekspansionsspændingen. Dette gør metaller ideelle kandidater til brug ved måling af termisk ekspansion.
målinger af en volumenændring forårsaget af en fysisk eller kemisk proces kaldes dilatometri. Et instrument designet til at måle volumenændringen af noget stof kaldes et dilatometer., Det mest almindelige eksempel på et dilatometer er et kviksølvtermometer, der måler volumenet og volumenændringen for det fangede kviksølv, der bruges til at bestemme temperaturen i det omgivende miljø. Dilatometre kan også bruges til at beregne varmeudvidelseskoefficienten. For at bestemme koefficienten måles materialets volumen omhyggeligt, når temperaturen stiger fra en kendt værdi til en anden. Der er et par eksempler på dilatometre, der er designet til at måle mængden af faste metalstykker for at bestemme termisk ekspansion., Et design er kapacitans dilatometre. I dette design er en plade af en kondensator bevægelig, og prøven placeres bag den, så når den udvider, skubber den den bevægelige plade tættere på den anden plade. Et mere moderne og præcist eksempel ville være laser dilatometeret, som konstant måler dimensionerne af prøven med lasere. Et af de mest alsidige designs er det optiske dilatometer, som simpelthen er et digitalt kamera ved hjælp af en optisk gruppe til at måle variationerne i prøvens størrelse.,
figur 3: diagram, der viser effekten af lineær termisk ekspansion.
gasser og væsker udvides altid volumetrisk og udvides inden for rammerne af deres containere. I teorien udvides faste stoffer også volumetrisk, men fordi de holder deres form, får det dem til at udvide sig forskelligt. For eksempel, når en lang metalstang opvarmes, bevæger dens atomer sig længere fra hinanden i alle tre dimensioner. Under denne ekspansion vil stængernes tværsnitsvækst næppe være mærkbar sammenlignet med dens vækst på langs., Da stangen oprindeligt er meget tynd, er der et relativt lille antal atomer, der skubber mod hinanden i tværsnitsretningen. I længderetningen er der dog et større antal atomer, der er opstillet, og når de alle skubber mod hinanden, danner det en kædereaktion, der skubber stangens samlede længde til at være meget større end den var.
objekter med dimensioner som denne kan betragtes som kun ekspanderende i den ene dimension. De menes at have en lineær termisk ekspansionskoefficient i stedet for en termisk ekspansionskoefficient., Denne koefficient virker den samme som den tredimensionelle udvidelseskoefficient, bortset fra at den svarer til den fraktionerede stigning i længde (i stedet for volumen) pr. Det samme gælder koefficienter for arealudvidelse i to dimensioner for flade plader. Fra denne observation kan det bestemmes, at den mængde, som en krop udvider som reaktion på en stigning i temperaturen, er lineært afhængig af kroppens oprindelige størrelse.
en observationsmetode kan anvendes for at finde en nyttig ligning til at forudsige den resulterende størrelse af et Legeme efter en temperaturændring., Som forklaret ovenfor er den mængde, som et lineært stof udvider, lineært relateret til den oprindelige længde, (L0). Observation viser, at udvidelsen også er omtrent lineært relateret til temperaturændringen (dT). Det er også indlysende gennem observation, at alle materialer udvides forskelligt. På grund af denne variation i ekspansionsmønstre kan det bestemmes, at andre fysiske aspekter påvirker termisk ekspansion. En koefficient bruges til at tage højde for et stofs yderligere fysiske egenskaber. Denne koefficient er kendt som koefficienten for lineær termisk ekspansion, (α)., Ligningen for den endelige længde ville derfor være
L = L0 + L0*Which*dT
, som kan arrangeres for
α = (L – L0)/(L0*dt)
eller hvis det siges, at ændringen i længde, L – L0, er dL
α = 1/l0 * dL/dT
den samme logik kan bruges til at opbygge ligningerne vedrørende volumenudvidelse. De er ens undtagen længden variabel ville blive udvekslet for volumen og den lineære ekspansion koefficient vil blive ændret til volumetrisk. For at sikre nøjagtighed er det ideelt at udlede volumenudvidelsesligningen fra den lineære ligning.,
V = L3 = 3
fra analyse ved hjælp af den lineære metode er det tydeligt, at værdien af α normalt ligger i delene pr. Da værdien er så lille, resulterer begge de udtryk, der hæver den til en magt over en, i en så lille værdi, at de næsten ikke har nogen effekt på resultatet. Disse udtryk kan ignoreres ved at tilnærme lidt.
V = L03
= V0
Da α er en konstant ukendt koefficient, kan det siges, at 3α er en ny konstant ukendt koefficienten er opkaldt koefficienten for volumen termisk ekspansion, (β).,
V = V0 + V0** * dT
= = 1/v0 * dV/dt
denne form for ligningen kunne nu bruges til at finde koefficienterne for termisk udvidelse af materialer efter måling af dem med et dilatometer over en kendt temperaturændring. Disse ligninger viser, at både de lineære og volumenudvidelseskoefficienter har enheder af Kelvin-1, Celcius-1 eller Fahrenheit-1.
Med et dilatometer og et termometer er det meget ligetil at gennemføre et eksperiment på en prøve og derefter følge ligningen for at beregne de termiske udvidelseskoefficienter., Aluminium er et praktisk materiale at studere med denne metode, da det har en meget høj udvidelseskoefficient for et metal. Rustfrit stål er måske den mest almindeligt målt på grund af deres rigelige brug i mange applikationer. Disse stål har en koefficient, der er omkring gennemsnittet for metaller, men de er ikke ekstremt værdifulde som sølv og guld. Mangel på termisk viden under Teknik og design kan resultere i sammenbrud af broer eller ødelæggelse af værdifuldt udstyr., Den termiske udvidelse af materialer kan være en vigtig vejspærring til bygning og design, imidlertid, mange applikationsprocesser og teknologier er designet med termisk udvidelse som en grundlæggende funktionskomponent.
figur 4: ekspansionsled på en bro