Wat is thermische uitzetting?
thermische uitzetting is het verschijnsel waarbij een object of lichaam uitzet als reactie op verhitting. Thermische uitzetting is het duidelijkst in gassen en vloeistoffen, maar kan nog steeds een aanzienlijk effect hebben op vaste stoffen.
figuur 1: gebogen spoorwegsporen door lineaire thermische uitzetting
de thermische eigenschappen van een vaste stof zijn een zeer belangrijk aspect bij het ontwerp van fabrieken en produkten., Als thermische uitzetting niet wordt overwogen tijdens de bouw en het ontwerp kan het resultaat grote structurele schade in een machine of gebouw zijn. Er zijn talloze maatregelen genomen om dit te voorkomen en op basis van dit fenomeen worden tal van ingenieuze technologieën ontwikkeld. De hoeveelheid die een materiaal uitzet kan worden verklaard door rekening te houden met een coëfficiënt die overeenkomt met de fractionele groei van het materiaal per graad verandering in temperatuur. Deze coëfficiënt wordt genoemd de coëfficiënt van thermische uitzetting en wordt gebruikt om de groei van materialen in reactie op een bekende temperatuurverandering te voorspellen., Hoe groter deze coëfficiënt is voor een materiaal, hoe meer het zal uitbreiden per graad temperatuurstijging.
Figuur 2: diagram van atoomtrillingen voor en na verwarming.
Wanneer een lichaam wordt verhit, accepteert en slaat het energie op in zijn atomen in de vorm van kinetische energie. Deze blootstelling aan een verhoogde temperatuur zorgt ervoor dat de natuurlijke trillingen van een atoom sterker en meer uitgesproken worden., Deze toename van trilling duwt tegen de intermoleculaire krachten, waardoor de atomen of moleculen verder uit elkaar worden en het lichaam groter wordt. De hoeveelheid waarmee een stof expandeert in reactie op een verandering in temperatuur wordt wiskundig weergegeven door een thermische uitzettingscoëfficiënt. Deze coëfficiënt is uniek voor elk materiaal en is gebaseerd op hun andere fysische eigenschappen. Hoe hoger een thermische uitzettingscoëfficiënt een materiaal heeft, hoe meer het zal uitzetten in reactie op verhitting., Kristallen hebben de neiging om de laagste thermische uitzettingscoëfficiënten omdat hun structuur is uiterst uniform en structureel gezond. Diamant heeft de laagste bekende thermische uitzettingscoëfficiënt van alle natuurlijk voorkomende materialen. De vaste stoffen met de hoogste coëfficiënten van thermische uitzetting zijn degenen die zwakke intermoleculaire bindingen hebben, typisch polymeren, die ook de neiging hebben om lage smeltpunten te hebben. De reden hiervoor is dat zwakkere banden worden overwonnen met minder trillingsenergie., Metalen hebben meestal relatief lage coëfficiënten, maar ze hebben ook zeer hoge smeltpunten, en ze zijn niet zo waarneembaar voor een materiële storing veroorzaakt door de stress van expansie. Dit maakt metalen ideale kandidaten om te gebruiken bij het meten van thermische uitzetting.
metingen van een verandering in volume veroorzaakt door een fysisch of chemisch proces worden dilatometrie genoemd. Een instrument dat is ontworpen om de verandering in volume van een bepaalde stof te meten, wordt een dilatometer genoemd., Het meest voorkomende voorbeeld van een dilatometer is een kwikthermometer, die het volume en de verandering in volume van het gevangen kwik meet dat wordt gebruikt om de temperatuur van de omgeving te bepalen. Dilatometers kunnen ook worden gebruikt om de thermische uitzettingscoëfficiënt te berekenen. Om de coëfficiënt te bepalen, wordt het volume van het materiaal zorgvuldig gemeten als de temperatuur stijgt van de ene bekende waarde naar de andere. Er zijn een paar voorbeelden van dilatometers die zijn ontworpen om het volume van vaste metalen stukken te meten om de thermische uitzetting te bepalen., Een ontwerp is de capaciteitsdilatometers. In dit ontwerp is één plaat van een condensator beweegbaar en wordt het monster erachter geplaatst, dus wanneer het uitzet duwt het de beweegbare plaat dichter bij de andere plaat. Een moderner en nauwkeuriger voorbeeld zou de laserdilatometer zijn, die constant de afmetingen van het monster met lasers meet. Een van de meest veelzijdige ontwerpen is de optische dilatometer die gewoon een digitale camera is die een optische groep gebruikt om de variaties in de grootte van het monster te meten.,
Figuur 3: diagram dat het effect van lineaire thermische uitzetting toont.
gassen en vloeistoffen expanderen altijd volumetrisch, binnen de grenzen van hun containers. In theorie breiden vaste stoffen ook altijd volumetrisch uit, maar omdat ze hun vorm vasthouden, lijken ze anders uit te breiden. Bijvoorbeeld, wanneer een lange metalen staaf wordt verwarmd reizen de atomen verder uit elkaar in alle drie dimensies. Tijdens deze expansie, de staven dwarsdoorsnede groei zal nauwelijks merkbaar in vergelijking met de groei in de lengte., Aangezien de staaf aanvankelijk erg dun is, is er een relatief klein aantal atomen die tegen elkaar in de dwarsdoorsnede richting duwen. In de lengterichting is er echter een groter aantal atomen opgesteld, en wanneer ze allemaal tegen elkaar duwen vormt het een kettingreactie die de totale lengte van de staaf duwt om veel groter te zijn dan het was.
objecten met dimensies zoals deze kunnen beschouwd worden als alleen uitdijend in de ene dimensie. Zij worden verondersteld om een coëfficiënt van lineaire thermische uitzetting in plaats van een coëfficiënt van volume thermische uitzetting te hebben., Deze coëfficiënt werkt hetzelfde als de driedimensionale uitzettingscoëfficiënt, behalve dat het overeenkomt met de fractionele toename in lengte (in plaats van volume) per graad temperatuur. Hetzelfde geldt voor coëfficiënten van oppervlakteuitbreiding in twee dimensies voor vlakke platen. Uit deze observatie kan worden vastgesteld dat de hoeveelheid die een lichaam expandeert als reactie op een stijging van de temperatuur lineair afhankelijk is van de oorspronkelijke grootte van het lichaam.
een observationele benadering kan worden gebruikt om een bruikbare vergelijking te vinden om de resulterende grootte van een lichaam na een temperatuurverandering te voorspellen., Zoals hierboven uiteengezet, is de hoeveelheid die een lineaire stof uitzet lineair gerelateerd aan de oorspronkelijke lengte (L0). Observatie toont aan dat de expansie ook ongeveer lineair gerelateerd is aan de verandering in temperatuur (dT). Het is ook duidelijk door observatie dat alle materialen anders uit te breiden. Door deze variatie in uitzettingspatronen kan worden vastgesteld dat andere fysische aspecten de thermische uitzetting beïnvloeden. Een coëfficiënt wordt gebruikt om rekening te houden met de extra fysische eigenschappen van een stof. Deze coëfficiënt staat bekend als de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (α)., De vergelijking voor de uiteindelijke lengte zou daarom
L = L0 + L0*α*dT
die kan worden aangepast voor α
α = (L – L0)/(L0*dT)
of indien gezegd wordt dat de verandering in lengte, L – L0, dL
α = 1/L0 * dL/dT
dezelfde logica kan worden gebruikt om de vergelijkingen te bouwen met betrekking tot volumeuitbreiding. Ze zijn vergelijkbaar met uitzondering van de lengte variabele zou worden vervangen door volume en de lineaire uitzettingscoëfficiënt zou worden gewijzigd in volumetrisch. Om de nauwkeurigheid te garanderen, is het ideaal om de volumeuitbreidingsvergelijking af te leiden uit de lineaire vergelijking.,
V = L3 = 3
uit analyse met behulp van de lineaire methode blijkt dat de waarde van α gewoonlijk ligt in de delen per miljoen (x10-6). Omdat de waarde zo klein is, resulteren zowel de termen die het verhogen tot een macht boven één in zo ‘ n kleine waarde dat ze bijna geen effect hebben op het resultaat. Deze termen kunnen worden genegeerd door een lichte benadering.
V = L03
= V0
aangezien α een constante Onbekende coëfficiënt is, kan worden gezegd dat 3α een nieuwe constante Onbekende coëfficiënt is, genaamd de volumewarmte-uitzettingscoëfficiënt (β).,
V = V0 + V0 * β * dT
β = 1 / V0 * dV / dT
deze vorm van de vergelijking kan nu worden gebruikt om de thermische uitzettingscoëfficiënten van materialen na meting met een dilatometer over een bekende temperatuurverandering te bepalen. Deze vergelijkingen tonen aan dat zowel de lineaire als de volumeuitzettingscoëfficiënten eenheden van Kelvin-1, Celcius-1 of Fahrenheit-1 hebben.
met een dilatometer en een thermometer is het heel eenvoudig om een experiment met een monster uit te voeren en vervolgens de vergelijking te volgen om de thermische uitzettingscoëfficiënten te berekenen., Aluminium is een handig materiaal om met deze methode te bestuderen, omdat het een zeer hoge uitzettingscoëfficiënt heeft voor een metaal. De roestvrije stalen zijn misschien het meest meestal gemeten toe te schrijven aan hun overvloedig gebruik in vele toepassingen. Deze staalsoorten hebben een coëfficiënt die ongeveer gemiddeld is voor metalen, maar ze zijn niet extreem waardevol zoals zilver en goud. Een gebrek aan thermische kennis tijdens engineering en ontwerp kan leiden tot het instorten van bruggen of de vernietiging van waardevolle apparatuur., De thermische uitzetting van materialen kan een belangrijke wegblokkade zijn voor het bouwen en ontwerpen, maar veel toepassingsprocessen en technologieën zijn ontworpen met thermische uitzetting als een fundamenteel onderdeel van de functie.
Figuur 4: Expansieverbinding op een brug