mi a hőtágulás?
a hőtágulás az a jelenség, amikor egy tárgy vagy test felmelegszik. A gázokban és folyadékokban a hőtágulás a legnyilvánvalóbb, de a szilárd anyagokra továbbra is jelentős hatással lehet.
Ábra1: lineáris hőtágulás miatt hajlított vasúti sínek
a szilárd anyag termikus tulajdonságai nagyon fontos szempont a gyárak és termékek tervezésében., Ha az építés és a tervezés során nem veszik figyelembe a hőtágulást, az eredmény jelentős szerkezeti károsodást okozhat egy gépben vagy épületben. Számtalan intézkedést hoztak ennek megakadályozására, és számos ötletes technológiát fejlesztettek ki erre a jelenségre támaszkodva. Az anyag tágulási mennyisége azzal magyarázható,hogy figyelembe vesszük az anyag frakcionált növekedésének megfelelő együtthatót a hőmérséklet-változás mértékére. Ezt az együtthatót a hőtágulási együtthatónak nevezik, amelyet az anyagok növekedésének előrejelzésére használnak egy ismert hőmérsékletváltozásra reagálva., Minél nagyobb ez az együttható egy anyaghoz, annál nagyobb mértékben növekszik a hőmérséklet-emelkedés.
2.ábra: az atomi rezgések diagramja fűtés előtt és után.
amikor egy testet felmelegítenek, az atomjaiban kinetikus energia formájában fogadja el és tárolja az energiát. Ez a megnövekedett hőmérsékletnek való kitettség az atom természetes rezgéseit erősebbé és hangsúlyosabbá teszi., Ez a rezgésnövekedés a molekuláris erők ellen hat, lehetővé téve az atomok vagy molekulák távolabbi egymástól való távolodását és a test nagyobb növekedését. Az a mennyiség, amellyel az anyag a hőmérséklet változására reagálva tágul, matematikailag a hőtágulási együttható képviseli. Ez az együttható minden anyagra egyedi, más fizikai tulajdonságaikon alapul. Minél nagyobb az anyag hőtágulási együtthatója, annál inkább kitágul a felmelegedésre reagálva., A kristályok általában a legalacsonyabb hőtágulási együtthatókkal rendelkeznek, mivel szerkezetük rendkívül egyenletes és szerkezetileg hangosak. A gyémánt az összes természetben előforduló anyag legalacsonyabb ismert hőtágulási együtthatójával rendelkezik. A legnagyobb hőtágulási együtthatóval rendelkező szilárd anyagok azok, amelyek gyenge molekulaközi kötésekkel, jellemzően polimerekkel rendelkeznek, amelyek szintén alacsony olvadáspontúak. Ennek oka az, hogy a gyengébb kötéseket kevesebb vibrációs energiával oldják meg., A fémek általában viszonylag alacsony együtthatókkal rendelkeznek, de nagyon magas olvadáspontjaik is vannak, és nem olyan érzékelhetőek, mint a tágulási stressz által okozott anyagi kudarc. Ez teszi a fémek ideális jelölteket használni, amikor a hőtágulás mérésére.
a fizikai vagy kémiai folyamat által okozott térfogatváltozás mérését dilatometriának nevezik. Az egyes anyagok térfogatváltozásának mérésére szolgáló eszközt dilatométernek nevezik., A dilatométer leggyakoribb példája a higanyhőmérő, amely méri a csapdába esett higany térfogatának és térfogatának változását, amelyet a környező környezet hőmérsékletének meghatározására használnak. A hőtágulási együttható kiszámításához dilatométereket is lehet használni. Az együttható meghatározásához az anyag térfogatát gondosan meg kell mérni, mivel a hőmérséklet az egyik ismert értékről a másikra emelkedik. Van néhány példa a dilatométerekre, amelyek célja a szilárd fémdarabok térfogatának mérése a hőtágulás meghatározásához., Az egyik kialakítás a kapacitás dilatométerek. Ebben a kialakításban egy kondenzátor egyik lemeze mozgatható, a mintát pedig mögötte helyezik el, így amikor kibővül, a mozgatható lemezt közelebb tolja a másik lemezhez. Modernebb és pontosabb példa lenne a lézeres dilatométer, amely folyamatosan méri a minta méreteit lézerekkel. Az egyik legsokoldalúbb konstrukció az optikai dilatométer, amely egyszerűen egy optikai csoportot használó digitális fényképezőgép a minta méretének változásainak mérésére.,
3.ábra: a lineáris hőtágulás hatását bemutató diagram.
a gázok és folyadékok mindig térfogatban tágulnak, tágulnak a tartályaik határain belül. Elméletileg a szilárd anyagok mindig volumetrikusan is bővülnek, de mivel megtartják alakjukat, úgy tűnik, hogy másképp bővülnek. Például, amikor egy hosszú fémrudat melegítenek, az atomjai mind a három dimenzióban távolabb haladnak egymástól. E terjeszkedés során a rudak keresztmetszeti növekedése alig észrevehető a hosszában történő növekedéshez képest., Mivel a rúd kezdetben nagyon vékony, viszonylag kis számú atom van egymás ellen a keresztmetszeti irányban. Hosszirányban azonban nagyobb számú atom van felsorolva, és amikor mindegyik egymás ellen nyomódik, láncreakciót képez, amely a rúd teljes hosszát sokkal nagyobbra tolja, mint amilyen volt.
Az ilyen méretű objektumok csak az egy dimenzióban bővülnek. Úgy gondolják, hogy a térfogat-hőtágulási együttható helyett lineáris hőtágulási együtthatóval rendelkeznek., Ez az együttható ugyanúgy működik, mint a háromdimenziós tágulási együttható, kivéve, hogy megfelel a hosszúság frakcionált növekedésének (térfogat helyett) fokhőmérsékletenként. Ugyanez igaz a síklemezek két dimenzióban történő területbővítési együtthatóira is. Ebből a megfigyelésből megállapítható, hogy az a mennyiség, amelyet a test a hőmérséklet emelkedésére válaszul kitágul, lineárisan függ a test eredeti méretétől.
megfigyelési megközelítést lehet elfogadni egy hasznos egyenlet megtalálásához, amely megjósolja a test kapott méretét a hőmérsékletváltozás után., Mint fentebb kifejtettük, a lineáris anyag tágulási mennyisége lineárisan kapcsolódik az eredeti hosszhoz (L0). A megfigyelés azt mutatja, hogy a terjeszkedés megközelítőleg lineárisan kapcsolódik a hőmérséklet változásához (DT). Megfigyeléssel is nyilvánvaló, hogy minden anyag másképp bővül. A tágulási minták ezen változása miatt megállapítható, hogy más fizikai szempontok befolyásolják a hőtágulást. Egy együtthatót használnak az anyag további fizikai tulajdonságainak elszámolására. Ezt az együtthatót a lineáris hőtágulási együtthatónak (α) nevezik., A végső hossz egyenlete tehát
L = L0 + L0*α*DT
, amely újra elrendezhető α
α = (L – L0)/(L0*dT)
vagy ha azt mondják, hogy a hosszváltozás, L – L0, dL
α = 1/L0 * dL/dt
egyenletek felépítéséhez ugyanaz a logika használható kötet bővítése. Ezek hasonlóak, kivéve, ha a hosszváltozót térfogatra cserélnék, a lineáris tágulási együtthatót pedig térfogatra változtatnák. A pontosság biztosítása érdekében ideális a térfogat-tágulási egyenletet a lineáris egyenletből levezetni.,
v = L3 = 3
a lineáris módszerrel végzett elemzésből kitűnik, hogy az α értéke általában millió tartományban (x10-6) van. Mivel az érték olyan kicsi, mind a kifejezések, amelyek az egyik fölé emelik, olyan kis értéket eredményeznek, hogy szinte semmilyen hatással nem lesznek az eredményre. Ezeket a kifejezéseket lehet figyelmen kívül hagyni közelítő kissé.
v = L03
= V0
mivel α egy állandó ismeretlen együttható, elmondható, hogy a 3α egy új állandó ismeretlen együttható, amelyet a térfogat hőtágulási együtthatójának neveznek, (β).,
V = V0 + v0 * β * DT
β = 1 / V0 * dV / dT
az egyenlet ezen formája most felhasználható az anyagok hőtágulási együtthatóinak megtalálására, miután dilatométerrel mérte őket egy ismert hőmérsékletváltozáson. Ezek az egyenletek azt mutatják, hogy mind a lineáris, mind a térfogat-tágulási együtthatók Kelvin-1, Celcius-1 vagy Fahrenheit-1 egységekkel rendelkeznek.
dilatométerrel és hőmérővel nagyon egyenesen előre kell végezni egy kísérletet egy mintán, majd követni kell az egyenletet a hőtágulási együtthatók kiszámításához., Az alumínium kényelmes anyag ezzel a módszerrel történő tanulmányozáshoz, mivel nagyon magas a fém tágulási együtthatója. Rozsdamentes acélok talán a leggyakrabban mért miatt bőséges használata sok alkalmazás. Ezeknek az acéloknak az együtthatója a fémek átlaga körül van, azonban nem rendkívül értékesek, mint az ezüst és az arany. A hőtudás hiánya a tervezés és a tervezés során hidak összeomlását vagy értékes berendezések megsemmisítését eredményezheti., A hőtágulási anyagok komoly akadályt épület tervezésekor, azonban sok alkalmazás, folyamatok, technológiák tervezték hőtágulási, mint alapvető eleme a funkció.
4. ábra: expanziós kötés egy hídon