ce este expansiunea termică?dilatarea termică este fenomenul în care un obiect sau un corp se extinde ca reacție la încălzire. Dilatarea termică este cea mai evidentă în gaze și lichide, dar poate avea încă un efect substanțial asupra solidelor.
Figura 1: șine de cale ferată îndoite din cauza dilatare termică liniară
Figura 1: șine de cale ferată îndoite din cauza dilatare termică liniară
proprietățile termice ale unui solid sunt un aspect foarte important în proiectarea de fabrici și produse., Dacă dilatarea termică nu este luată în considerare în timpul construcției și proiectării, rezultatul ar putea fi daune structurale majore într-o mașină sau clădire. Au fost luate nenumărate măsuri pentru a preveni acest lucru și multe tehnologii ingenioase sunt dezvoltate bazându-se pe acest fenomen. Cantitatea pe care un material o extinde poate fi explicată prin luarea în considerare a unui coeficient corespunzător creșterii fracționare a materialului pe grad de schimbare a temperaturii. Acest coeficient se numește coeficientul de dilatare termică și este utilizat pentru a prezice creșterea materialelor ca răspuns la o schimbare de temperatură cunoscută., Cu cât acest coeficient este mai mare pentru un material, cu atât mai mult se va extinde pe grad creșterea temperaturii.
Figura 2: diagrama de vibrațiile atomilor înainte și după încălzire.când un corp este încălzit, acesta acceptă și stochează energie în atomii săi sub formă de energie cinetică. Această expunere la o temperatură crescută determină vibrațiile naturale ale unui atom să devină mai puternice și mai pronunțate., Această creștere a vibrațiilor împinge împotriva forțelor inter-moleculare, permițând atomilor sau moleculelor să devină mai îndepărtate și corpul să crească mai mare. Cantitatea cu care o substanță se extinde în reacție la o schimbare a temperaturii este reprezentată matematic de un coeficient de dilatare termică. Acest coeficient este unic pentru fiecare material și se bazează pe celelalte proprietăți fizice ale acestuia. Cu cât este mai mare un coeficient de dilatare termică pe care îl are un material, cu atât se va extinde mai mult ca reacție la încălzire., Cristalele tind să aibă cei mai mici coeficienți de dilatare termică, deoarece structura lor este extrem de uniformă și solidă din punct de vedere structural. Diamantul are cel mai mic coeficient de dilatare termică cunoscut dintre toate materialele naturale. Solidele cu cei mai mari coeficienți de dilatare termică sunt cele care au legături inter-moleculare slabe, de obicei polimeri, care tind să aibă și puncte de topire scăzute. Motivul pentru aceasta este că legăturile mai slabe sunt depășite cu mai puțină energie vibrațională., Metalele tind să aibă coeficienți relativ mici, dar au și puncte de topire foarte ridicate și nu sunt la fel de perceptibile pentru o defecțiune materială cauzată de stresul expansiunii. Acest lucru face ca metalele să fie candidații ideali de utilizat la măsurarea expansiunii termice.
măsurătorile unei modificări a volumului cauzate de un proces fizic sau chimic se numesc dilatometrie. Un instrument conceput pentru a măsura modificarea volumului unei substanțe se numește dilatometru., Cel mai frecvent exemplu de dilatometru este un termometru cu mercur, care măsoară volumul și Modificarea volumului mercurului prins, care este utilizat pentru a determina temperatura mediului înconjurător. Dilatometrele pot fi de asemenea utilizate pentru a calcula coeficientul de dilatare termică. Pentru a determina coeficientul, volumul materialului este măsurat cu atenție pe măsură ce temperatura crește de la o valoare cunoscută la alta. Există câteva exemple de dilatometre care sunt proiectate pentru a măsura volumul pieselor metalice solide pentru a determina expansiunea termică., Un design este dilatometrele de capacitate. În acest design, o placă a unui condensator este mobilă, iar proba este plasată în spatele acesteia, astfel încât atunci când se extinde, împinge placa mobilă mai aproape de cealaltă placă. Un exemplu mai modern și mai precis ar fi dilatometrul cu laser, care măsoară constant dimensiunile eșantionului cu lasere. Unul dintre cele mai versatile modele este dilatometrul optic, care este pur și simplu o cameră digitală care utilizează un grup optic pentru a măsura variațiile dimensiunii eșantionului.,
Figura 3: diagramă care arată efectul de dilatare termică liniară.gazele și lichidele se extind întotdeauna volumetric, extinzându-se în limitele containerelor lor. În teorie, solidele se extind întotdeauna volumetric, dar, deoarece își păstrează forma, le face să pară să se extindă diferit. De exemplu, atunci când o tijă lungă de metal este încălzită, atomii săi se deplasează mai departe în toate cele trei dimensiuni. În timpul acestei extinderi, creșterea secțiunii transversale a tijelor va fi greu de observat în comparație cu creșterea sa pe lungime., Deoarece tija este inițial foarte subțire, există un număr relativ mic de atomi care se împing unul împotriva celuilalt în direcția secțiunii transversale. Cu toate acestea, în direcția longitudinală, există un număr mai mare de atomi aliniați, iar atunci când toți se împing unul împotriva celuilalt, formează o reacție în lanț care împinge lungimea totală a tijei să fie mult mai mare decât a fost.
obiectele cu dimensiuni ca aceasta pot fi considerate ca extinzându-se doar într-o singură dimensiune. Se crede că au un coeficient de dilatare termică liniară în loc de un coeficient de dilatare termică a volumului., Acest coeficient acționează la fel ca coeficientul tridimensional de expansiune, cu excepția cazului în care corespunde creșterii fracționare a lungimii (în loc de volum) pe grad de temperatură. Același lucru este valabil și pentru coeficienții de extindere a zonei în două dimensiuni pentru plăcile plate. Din această observație se poate determina că cantitatea pe care un corp o extinde ca răspuns la o creștere a temperaturii depinde liniar de dimensiunea inițială a corpului.o abordare observațională poate fi adoptată pentru a găsi o ecuație utilă pentru a prezice dimensiunea rezultată a unui corp după o schimbare de temperatură., După cum sa explicat mai sus, cantitatea pe care o substanță liniară se extinde este legată liniar de lungimea inițială (L0). Observarea arată că expansiunea este, de asemenea, aproximativ liniar legată de schimbarea temperaturii (dT). De asemenea, este evident prin observație că toate materialele se extind diferit. Datorită acestei variații a modelelor de expansiune, se poate determina că alte aspecte fizice influențează expansiunea termică. Un coeficient este utilizat pentru a ține cont de proprietățile fizice suplimentare ale unei substanțe. Acest coeficient este cunoscut ca coeficientul de dilatare termică liniară, (α)., Ecuația pentru lungimea finală ar fi, prin urmare,
L = L0 + L0*α*DT
care poate fi aranjată pentru α
α = (L – L0)/(L0*dT)
sau dacă se spune că modificarea lungimii, L – L0, este dL
α = 1/L0 * dL/dt
aceeași logică poate fi utilizată pentru a construi ecuațiile extinderea volumului. Ele sunt similare, cu excepția variabilei de lungime ar fi schimbate pentru volum și coeficientul de dilatare liniară ar fi schimbat în volumetric. Pentru a asigura precizia, este ideal să derivați ecuația de expansiune a volumului din ecuația liniară.,
V = L3 = 3
Din analiza folosind metoda liniară, este evident că valoarea α este, de obicei, în părțile per milion interval (x10-6). Deoarece valoarea este atât de mică, ambii termeni care o ridică la o putere deasupra unui rezultat au o valoare atât de mică încât nu vor avea aproape niciun efect asupra rezultatului. Acești termeni pot fi ignorați prin aproximare ușoară.deoarece α este un coeficient necunoscut constant, se poate spune că 3α este un nou coeficient necunoscut constant numit coeficientul de expansiune termică a volumului, (β).,
V = V0 + V0*β*dT
β = 1/V0 * dV/dT
Această formă de ecuație ar putea fi acum folosit pentru a găsi coeficienții de dilatare termică a materialelor după măsurarea ei cu un dilatometer peste un cunoscut schimbările de temperatură. Aceste ecuații arată că atât coeficienții de expansiune liniară, cât și volumul au unități de Kelvin-1, Celcius-1 sau Fahrenheit-1.cu un dilatometru și un termometru, este foarte simplu să efectuați un experiment pe o probă și apoi să urmați ecuația pentru a calcula coeficienții de dilatare termică., Aluminiu este un material convenabil pentru a studia cu această metodă, deoarece are un coeficient de expansiune foarte mare pentru un metal. Oțelurile inoxidabile sunt probabil cele mai frecvent măsurate datorită utilizării lor abundente în multe aplicații. Aceste oțeluri au un coeficient care este aproximativ mediu pentru metale, cu toate acestea, ele nu sunt extrem de valoroase ca argintul și aurul. Lipsa cunoștințelor termice în timpul ingineriei și proiectării poate duce la prăbușirea podurilor sau la distrugerea echipamentelor valoroase., Dilatarea termică a materialelor poate fi un obstacol major pentru construirea și proiectarea, cu toate acestea, multe procese și tehnologii de aplicare au fost proiectate cu dilatare termică ca o componentă fundamentală a funcției.
Figura 4: Dilatare pe un pod