Mikä on lämpölaajeneminen?
lämpölaajeneminen on ilmiö, jossa esine tai kehon laajenee reaktio on lämmitetty. Lämpölaajeneminen on ilmeisin kaasuja ja nesteitä, mutta voi silti olla huomattava vaikutus kiintoaineen.
Figure1: junaraiteet taivutettu, koska lineaarinen lämpölaajeneminen
termisiä ominaisuuksia vankka on erittäin tärkeä näkökohta suunnittelussa tehtaita ja tuotteita., Jos lämpölaajenemista ei huomioida rakentamisen ja suunnittelun aikana, seurauksena voi olla suuria rakenteellisia vaurioita koneessa tai rakennuksessa. Tämän estämiseksi on toteutettu lukemattomia toimenpiteitä, ja monet nerokkaat teknologiat on kehitetty tämän ilmiön varassa. Materiaalin laajuutta voidaan selittää harkitsemalla kerrointa, joka vastaa materiaalin murto-osaa lämpötilan muutosta kohti. Tätä kerrointa kutsutaan lämpölaajenemiskertoimeksi, ja sitä käytetään ennustamaan materiaalien kasvua vastauksena tunnettuun lämpötilan muutokseen., Mitä suurempi tämä Kerroin on materiaalille, sitä enemmän se laajenee astetta kohti lämpötilan nousua.
Kuva 2: kaavio atomin tärinää ennen ja jälkeen lämmityksen.
kun kappale kuumennetaan, se hyväksyy ja varastoi atomeissaan energiaa kineettisen energian muodossa. Tämä altistaa lisääntynyt lämpötila aiheuttaa atomi on luonnollinen tärinä kasvaa vahvempi ja selvempi., Tämä tärinän lisääntyminen työntää molekyylien välisiä voimia vastaan, jolloin atomit tai molekyylit etääntyvät toisistaan ja keho kasvaa suuremmaksi. Määrä, jolla aine laajenee reaktio lämpötilan muutos on matemaattisesti edustaa lämpölaajenemiskerroin. Tämä kerroin on ainutlaatuinen jokaiselle materiaalille ja perustuu niiden muihin fysikaalisiin ominaisuuksiin. Mitä suurempi lämpölaajenemiskerroin materiaalilla on, sitä enemmän se laajenee kuumennettaessa., Kiteet ovat yleensä alin lämpölaajenemisen kertoimia, koska niiden rakenne on hyvin yhtenäinen ja vakaa. Diamond on pienin tunnettu lämpölaajenemiskerroin kaikkien luonnossa esiintyvien materiaalien. Kiintoaineen osalta korkeimmat kertoimet lämpölaajenemisen ovat niitä, jotka ovat heikkoja inter-molekyylisidokset, tyypillisesti polymeerejä, jotka myös yleensä alhainen sulamispiste. Syynä tähän on se, että heikommat sidokset voitetaan vähemmällä värähtelyenergialla., Metallit ovat yleensä suhteellisen alhaisia kertoimia, mutta niillä on erittäin korkea sulamispiste, ja ne eivät ole niin havaittavissa materiaalin aiheuttama stressi laajennus. Tämä tekee metallit ihanteellinen ehdokkaita käyttää mitattaessa lämpölaajeneminen.
fysikaalisen tai kemiallisen prosessin aiheuttaman tilavuusmuutoksen mittauksia kutsutaan dilatometriaksi. Laitetta, joka on suunniteltu mittaamaan jonkin aineen tilavuuden muutosta, kutsutaan dilatometriksi., Yleisin esimerkki dilatometer on elohopeaa lämpömittarin, joka mittaa määrä ja määrän muutos loukkuun elohopeaa, joka käytetään määrittämään lämpötila ympäristöön. Lämpölaajenemiskertoimen laskemiseen voidaan käyttää myös dilatometrejä. Kertoimen määrittämiseksi materiaalin tilavuus mitataan huolellisesti lämpötilan noustessa tunnetusta arvosta toiseen. On olemassa muutamia esimerkkejä dilatometreistä, jotka on suunniteltu mittaamaan kiinteiden metallikappaleiden määrää lämmönlaajenemisen määrittämiseksi., Yksi muotoilu on kapasitanssi dilatometers. Tässä suunnittelussa yksi kondensaattorin levy on liikuteltava, ja näyte sijoitetaan sen taakse, joten kun se laajenee, se työntää liikuteltavan levyn lähemmäksi toista levyä. Modernimpi ja tarkempi esimerkki olisi laserdilatometri, joka mittaa jatkuvasti näytteen mittoja lasereilla. Yksi monipuolisimmista malleista on optinen dilatometri, joka on vain digitaalikamera, joka käyttää optista ryhmää mittaamaan näytteen koon vaihteluita.,
Kuva 3: kaavio osoittaa vaikutus lineaarinen lämpölaajeneminen.
Kaasut ja nesteet aina laajentaa volumetrically, laajentaa rajojen sisällä niiden säiliöt. Teoriassa kiintoaineet laajenevat aina myös tuuheasti, mutta koska ne pitävät muotonsa, ne näyttävät laajenevan eri tavalla. Esimerkiksi kun pitkää metallitankoa lämmitetään, sen atomit kulkevat kauempana toisistaan kaikissa kolmessa ulottuvuudessa. Tämän laajennuksen aikana sauvojen poikkileikkauskasvu tuskin on havaittavissa verrattuna sen kasvuun pituussuunnassa., Koska sauva on aluksi hyvin ohut on suhteellisen pieni määrä atomeja, työntää toisiaan vasten poikkipinta-suuntaan. Vuonna pituussuunnassa kuitenkin, siellä on suurempi määrä atomeja rivissä, ja kun ne kaikki työntää toisiaan vastaan se muodostaa ketjureaktion, joka työntää koko pituus tangon olevan paljon suurempi kuin se oli.
tällaisten mittojen omaavien kappaleiden voidaan katsoa vain laajenevan yhdessä ulottuvuudessa. Niiden arvellaan olevan lineaarisen lämpölaajenemisen kerroin tilavuuslämpölaajenemiskertoimen sijaan., Tämä kerroin toimii sama kuin kolmiulotteinen lämpölaajenemiskerroin, paitsi että se vastaa murto lisätä pituus (sen sijaan, volyymi) per asteen lämpötila. Sama koskee kertoimet-alueen laajentamiseen kaksi ulottuvuutta tasainen levyt. Tästä havainnosta voidaan päätellä, että ruumiin määrä, joka laajenee lämpötilan nousun seurauksena, on lineaarisesti riippuvainen kehon alkuperäisestä koosta.
havaintoihin perustuva lähestymistapa voidaan hyväksyä löytää hyödyllisiä yhtälö ennustaa tuloksena koko kehon jälkeen lämpötilan muutos., Kuten edellä on selitetty, lineaarisen aineen laajeneminen liittyy lineaarisesti alkuperäiseen pituuteen (L0). Havainto osoittaa, että laajeneminen liittyy myös suunnilleen lineaarisesti lämpötilan muutokseen (DT). Havainnoinnin kautta on myös selvää, että kaikki materiaalit laajenevat eri tavalla. Tämän laajenemismallien vaihtelun vuoksi voidaan päätellä, että muut fysikaaliset aspektit vaikuttavat lämpölaajenemiseen. Kertoimella voidaan selittää aineen fysikaaliset lisäominaisuudet. Tämä kerroin tunnetaan lineaarisen lämpölaajenemiskertoimena (α)., Yhtälön lopullinen pituus vuoksi olisi
L = L0 + L0*alfa*dT
Joka voi olla uudelleen järjestetty α
α = (L – L0)/(L0*dT)
Tai, jos se on sanonut, että pituuden muutos, L – L0, on dL
α = 1/L0 * dL/dT
samaa logiikkaa voidaan käyttää rakentaa yhtälöt koskevat tilavuus laajennus. Ne ovat samanlaisia, paitsi pituusmuuttuja vaihdettaisiin tilavuuteen ja lineaarinen laajenemiskerroin muutettaisiin tilavuuteen. Tarkkuuden varmistamiseksi on ihanteellista johtaa tilavuuden laajennusyhtälö lineaarisesta yhtälöstä.,
V = L3 = 3,
analyysi käyttäen lineaarinen menetelmä, se on selvää, että arvo α on yleensä miljoonasosaa alue (x10-6). Koska arvo on niin pieni, niin molemmat termit, jotka nostavat sen yhden yläpuolelle, johtavat niin pieneen arvoon, että niillä ei ole juuri mitään vaikutusta tulokseen. Nämä termit voidaan sivuuttaa lähentämällä hieman.
V = L03
= V0
Koska α on jatkuva tuntematon kerroin, se voi olla sanoi, että 3α on uusi vakio tuntematon kerroin nimeltä kerroin tilavuuden lämpölaajeneminen, (β).,
V = V0 + V0*β*dT
β = 1/V0 * dV/dT
Tässä muodossa yhtälö voidaan nyt käyttää löytää kertoimia lämpölaajeneminen-aineiden mittauksen jälkeen ne dilatometer tunnetun lämpötilan muutos. Nämä yhtälöt näyttää, että sekä lineaarinen ja tilavuus laajennus kertoimet ovat yksikköä Kelvin-1, Celcius-1, tai Fahrenheit-1.
Kanssa dilatometer ja lämpömittari, se on erittäin suoraviivainen suorittaa kokeen näyte ja sitten seuraa yhtälö laskea lämpölaajeneminen kertoimet., Alumiini on kätevä materiaali tutkia tällä menetelmällä, koska se on erittäin korkea lämpölaajenemiskerroin metallia. Ruostumattomat teräkset ovat ehkä yleisimmin mitattuja, koska niitä käytetään runsaasti monissa sovelluksissa. Nämä teräkset on Kerroin, joka on noin keskimääräinen metallien, mutta ne eivät ole erittäin arvokkaita kuten hopea ja kulta. Lämpötietämyksen puute tekniikan ja suunnittelun aikana voi johtaa siltojen romahtamiseen tai arvokkaiden laitteiden tuhoutumiseen., Lämpölaajenemisen-aineet voivat olla merkittävä este rakentamiseen ja suunnitteluun, kuitenkin, monet sovelluksen prosessit ja teknologiat on suunniteltu lämpölaajeneminen on olennainen osa toimintaa.
Kuva 4: liikuntasauma sillalla