Co to jest rozszerzalność cieplna?
rozszerzalność cieplna jest zjawiskiem, w którym obiekt lub ciało rozszerza się w reakcji na ogrzanie. Rozszerzalność cieplna jest najbardziej widoczna w gazach i cieczach, ale nadal może mieć znaczny wpływ na ciała stałe.
Rysunek 1: tory kolejowe wygięte z powodu liniowej rozszerzalności cieplnej
właściwości termiczne ciała stałego są bardzo ważnym aspektem w projektowaniu fabryk i produktów., Jeśli rozszerzalność cieplna nie jest brana pod uwagę podczas budowy i projektowania, rezultatem może być poważne uszkodzenie konstrukcji maszyny lub budynku. Podjęto niezliczone środki, aby temu zapobiec i opracowano wiele genialnych technologii opartych na tym zjawisku. Ilość, że materiał rozszerza się można wyjaśnić biorąc pod uwagę współczynnik odpowiadający ułamkowego wzrostu materiału na zmianę temperatury stopnia. Współczynnik ten nazywany jest współczynnikiem rozszerzalności cieplnej i służy do przewidywania wzrostu materiałów w odpowiedzi na znaną zmianę temperatury., Im większy jest ten współczynnik dla materiału, tym bardziej rozszerzy się na stopień wzrostu temperatury.
Rysunek 2: Wykres drgań atomowych przed i po nagrzewaniu.
gdy ciało jest ogrzewane, przyjmuje i przechowuje energię w swoich atomach w postaci energii kinetycznej. To narażenie na podwyższoną temperaturę powoduje, że naturalne wibracje atomu stają się silniejsze i wyraźniejsze., Ten wzrost wibracji popycha przeciwko siłom międzycząsteczkowym, umożliwiając atomom lub cząsteczkom oddalenie się od siebie, a ciało staje się większe. Ilość, o jaką substancja rozszerza się w reakcji na zmianę temperatury, jest matematycznie reprezentowana przez współczynnik rozszerzalności cieplnej. Współczynnik ten jest unikalny dla każdego materiału i opiera się na innych jego właściwościach fizycznych. Im wyższy współczynnik rozszerzalności cieplnej ma Materiał, tym bardziej rozszerzy się w reakcji na ogrzanie., Kryształy mają zwykle najniższe współczynniki rozszerzalności cieplnej, ponieważ ich struktura jest niezwykle jednolita i strukturalnie dźwięczna. Diament ma najniższy znany współczynnik rozszerzalności cieplnej wszystkich naturalnie występujących materiałów. Ciała stałe o najwyższych współczynnikach rozszerzalności cieplnej to te, które mają słabe wiązania międzycząsteczkowe, zazwyczaj polimery, które również mają niskie temperatury topnienia. Powodem tego jest to, że słabsze wiązania są pokonywane z mniejszą energią wibracyjną., Metale mają zazwyczaj stosunkowo niskie współczynniki, ale mają również bardzo wysokie temperatury topnienia i nie są tak odczuwalne dla uszkodzenia materiału spowodowanego naprężeniem ekspansji. To sprawia, że metale są idealnymi kandydatami do stosowania podczas pomiaru rozszerzalności cieplnej.
pomiar zmiany objętości spowodowanej procesem fizycznym lub chemicznym nazywa się dylatometrią. Przyrząd przeznaczony do pomiaru zmiany objętości pewnej substancji nazywa się dylatometrem., Najczęściej spotykanym przykładem dylatometru jest termometr rtęciowy, który mierzy objętość i zmianę objętości uwięzionej rtęci, która służy do określania temperatury otaczającego środowiska. Dylatometry można również wykorzystać do obliczenia współczynnika rozszerzalności cieplnej. Aby określić współczynnik, objętość materiału jest dokładnie mierzona w miarę wzrostu temperatury od jednej znanej wartości do drugiej. Istnieje kilka przykładów dylatometrów, które są przeznaczone do pomiaru objętości stałych elementów metalowych w celu określenia rozszerzalności cieplnej., Jedną z konstrukcji są dylatometry pojemnościowe. W tej konstrukcji jedna płyta kondensatora jest ruchoma, a próbka jest umieszczona za nią, więc gdy się rozszerza, popycha ruchomą płytę bliżej drugiej płyty. Bardziej nowoczesnym i dokładnym przykładem może być dylatometr laserowy, który stale mierzy wymiary próbki za pomocą laserów. Jedną z najbardziej wszechstronnych konstrukcji jest dylatometr optyczny, który jest po prostu aparatem cyfrowym wykorzystującym grupę optyczną do pomiaru zmian wielkości próbki.,
Rysunek 3: Schemat przedstawiający efekt liniowej rozszerzalności cieplnej.
gazy i ciecze zawsze rozszerzają się objętościowo, rozszerzając się w granicach ich pojemników. W teorii ciała stałe zawsze rozszerzają się objętościowo, ale ponieważ utrzymują swój kształt, sprawia to, że wydają się rozszerzać inaczej. Na przykład, gdy długi metalowy pręt jest ogrzewany, jego atomy oddalają się od siebie we wszystkich trzech wymiarach. Podczas tej ekspansji wzrost poprzeczny prętów będzie prawie zauważalny w porównaniu z jego wzrostem wzdłuż., Ponieważ pręt jest początkowo bardzo cienki, istnieje stosunkowo niewielka liczba atomów pchających się do siebie w kierunku przekroju poprzecznego. W kierunku wzdłużnym jest jednak większa liczba atomów ułożonych w rzędzie, a gdy wszystkie one naciskają na siebie, tworzy reakcję łańcuchową, która popycha całkowitą długość pręta, aby była znacznie większa niż była.
obiekty o takich wymiarach można uznać za rozwijające się tylko w jednym wymiarze. Uważa się, że mają współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej zamiast współczynnika rozszerzalności cieplnej objętości., Współczynnik ten działa tak samo jak trójwymiarowy współczynnik rozszerzalności, z tym że odpowiada ułamkowemu wzrostowi długości (zamiast objętości) na stopień temperatury. To samo dotyczy współczynników rozszerzalności powierzchni w dwóch wymiarach dla płyt płaskich. Na podstawie tej obserwacji można określić, że ilość, jaką ciało rozszerza się w odpowiedzi na wzrost temperatury, jest liniowo zależna od pierwotnej wielkości ciała.
można zastosować podejście obserwacyjne, aby znaleźć użyteczne równanie do przewidywania wynikowej wielkości ciała po zmianie temperatury., Jak wyjaśniono powyżej, Ilość, że substancja liniowa rozszerza się jest liniowo związana z pierwotną długością, (L0). Obserwacja pokazuje, że ekspansja jest również w przybliżeniu liniowo związana ze zmianą temperatury (dT). Jest również oczywiste dzięki obserwacji, że wszystkie materiały rozszerzają się inaczej. Ze względu na tę zmienność wzorców rozszerzalności można określić, że inne aspekty fizyczne wpływają na rozszerzalność cieplną. Współczynnik jest używany do uwzględnienia dodatkowych właściwości fizycznych substancji. Współczynnik ten jest znany jako współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (α)., Równanie dla ostatecznej długości będzie więc
L = L0 + L0*α*dT
które można ponownie zorganizować dla α
α = (L – L0)/(L0*dT)
lub jeśli mówi się, że zmiana długości, L – L0, jest dL
α = 1/L0 * dL/dT
ta sama logika może być używana do budowania równań dotyczących zwiększenie objętości. Są one podobne z tym wyjątkiem, że zmienna długości zostanie wymieniona na objętość, a współczynnik rozszerzalności liniowej zostanie zmieniony na objętościowy. Aby zapewnić dokładność, idealne jest wyprowadzenie równania rozszerzalności objętości z równania liniowego.,
V = L3 = 3
z analizy przy użyciu metody liniowej wynika, że wartość α jest zwykle w zakresie części na milion (x10-6). Ponieważ wartość jest tak mała, oba warunki, które podnoszą ją do potęgi powyżej jednego, powodują tak małą wartość, że prawie nie będą miały wpływu na wynik. Terminy te mogą być ignorowane przez przybliżenie nieco.
V = L03
= V0
ponieważ α jest stałą nieznanego współczynnika, można powiedzieć, że 3α jest nową stałą nieznanego współczynnika o nazwie współczynnik rozszerzalności cieplnej objętości, (β).,
V = V0 + v0*β*DT
β = 1/V0 * dV/dT
Ta forma równania może być teraz wykorzystana do określenia współczynników rozszerzalności cieplnej materiałów po pomiarze ich za pomocą dylatometru przy znanej zmianie temperatury. Równania te pokazują, że zarówno współczynniki rozszerzalności liniowej, jak i objętościowej mają jednostki Kelvina-1, Celcjusza-1 lub Fahrenheita-1.
za pomocą dylatometru i termometru można bardzo prosto przeprowadzić eksperyment na próbce, a następnie postępować zgodnie z równaniem, aby obliczyć współczynniki rozszerzalności cieplnej., Aluminium jest wygodnym materiałem do badania za pomocą tej metody, ponieważ ma bardzo wysoki współczynnik rozszerzalności dla metalu. Stale nierdzewne są prawdopodobnie najczęściej mierzone ze względu na ich obfite zastosowanie w wielu zastosowaniach. Stale te mają współczynnik, który jest o średniej dla metali, jednak nie są one niezwykle cenne jak srebro i złoto. Brak wiedzy termicznej podczas projektowania i projektowania może spowodować zawalenie się mostów lub zniszczenie cennego sprzętu., Rozszerzalność cieplna materiałów może być główną przeszkodą w budowaniu i projektowaniu, jednak wiele procesów i technologii zastosowań zostało zaprojektowanych z rozszerzalnością cieplną jako podstawowym elementem funkcji.
Rysunek 4: Złącze kompensacyjne na moście