Rozszerzenie termiczne

Wyjaśniamy, co to jest rozszerzenie termiczne, typy, które istnieją, i podajemy kilka przykładów

Rozszerzenie termiczne wodne

Co to jest rozszerzenie termiczne?

Rozszerzenie termiczne o Rozbudowa termiczna to wzrost wymiarów ciał, gdy się ogrzewają. Dzieje się tak z prawie wszystkimi materiałami, z wyjątkiem niektórych, które się rozwijają, gdy zamrażają, takie jak na przykład woda i kwas octowy.

Wyjaśnienie tego zjawiska leży w termicznym mieszaniu cząstek. Zgodnie z teorią kinetyczną cząsteczki, które tworzą substancje nie są w spoczynku, ale w ruchu trwałym.

W ciałach stałych cząsteczki oscylują wokół ustalonego punktu, ale poprzez zwiększenie temperatury amplituda oscylacji rośnie, a w konsekwencji obiekt rozszerza się.

Ta właściwość materiałów rozszerzania wraz z temperaturą jest stosowana w wielu zastosowaniach, na przykład w płynach i paskach bimetalicznych, są one składane w określony sposób poprzez zwiększenie temperatury i w ten sposób obwody można otworzyć lub zamknąć.

Czasami jednak rozszerzenie termiczne powoduje niedogodności, jak w przypadku żywic stosowanych w leczeniu rozpad zębów. Te żywice rozszerzają się wraz z ciepłem szybciej niż zęby, powodując dyskomfort podczas spożycia gorących napojów.

Jeśli rozszerzenie cieplne nie jest brane pod uwagę przy tworzeniu projektu, kawałek lub obiekt może stracić funkcjonalność, gdy z jakiegoś powodu temperatura wzrasta.

Rodzaje rozszerzenia termicznego

Te szyny kolejowe są zbudowane, pozostawiając lukę lub lukę, dzięki czemu rozszerzenie termiczne nie powoduje napięć wewnętrznych, które deformują szyny

Większość materiałów rozwija się podczas ogrzewania, ale kilka robi coś wręcz przeciwnego, więc zasadniczo istnieją dwa rodzaje rozszerzeń cieplnych:

• Najczęstsze, które występują, gdy materiał wzrasta po prostu jego wymiary o temperaturze i nazywa się dylatacja albo Rozszerzalność cieplna.
• Ujemne rozszerzenie termiczne, Jeśli substancja wzrusza ramionami, kiedy.

Może ci służyć: promieniowanie ciepła (z przykładami)

Zgodnie z dominującymi wymiarami w obiekcie może być rozszerzalność cieplna liniowe, powierzchowne lub objętościowe. Na przykład, jeśli masz cienki drut lub pasek, obiekt jest wydłużony, a rozszerzenie jest liniowe, ponieważ długość jest przede wszystkim modyfikowana.

Z drugiej strony, gdy cienki arkusz jest podgrzewany, wzrasta jego powierzchowny obszar, podczas gdy obiekt trójwymiarowy podnosi swoją objętość. Dla każdego z tych przypadków istnieje proste równanie, które jest spełnione w dobrym zakresie temperatur.

1. Liniowe rozszerzenie

Zmiana długości cienkiego pręta, pręta lub drutu jest oznaczona jako δL i jest wprost proporcjonalna do zmiany temperatury δT i pierwotnej długości L_albo:

ΔL = α⋅L_alboΔt

Gdzie:

• ΔL = długość końcowa - długość początkowa = L_F - L_albo
• ΔT = temperatura końcowa - temperatura początkowa = t_F - T_albo
• α jest stałą proporcjonalności, zwaną liniowy współczynnik ekspansji , Pozytywne, jeśli długość wzrośnie wraz z temperaturą.

Wartości α dla różnych substancji, w jednostkach odwrotnych temperatur, prawie zawsze wynoszą 20 ° C, chociaż wartość pozostaje stała w dobrym zakresie temperatur.

Poprzednie równanie można przepisać, aby bezpośrednio obliczyć końcową długość:

L_F = L_albo + αL_alboΔT = L_albo(1 + αΔT)

2. Powierzchowne rozszerzenie

Analogiczne do poprzedniego równania, dla blaszki z początkową powierzchnią s_albo , Można wykazać, że nowa powierzchnia s_F Jest podany przez:

S_F = S_albo + 2α_albo Δt

3. Rozszerzenie objętościowe

Wreszcie dla początkowego obiektu głośności v_albo , Nowy tom V_F Jest:

V_F = V_albo + 3α v_albo Δt

Przykłady rozszerzenia termicznego

Gorące powietrze w balonie

Powietrze wewnątrz globu rozszerza się po podgrzewaniu. Wygodne jest nie zbliżać go zbyt blisko płomienia

Podczas ogrzewania powietrza wewnątrz balonu napompuje się, ponieważ gaz w środku rozszerza się z powodu wzrostu temperatury. Można go łatwo sprawdzać, pokrywając szklaną butelkę deflowanym balonem, który jest zanurzony w gorącej wodzie. Wkrótce widać, że balon zaczyna się napompować.

Może ci służyć: mechanika materialna: historia, dziedzina studiów, zastosowania

Połączenia ekspansji na chodnikach i drogach

Wybuchy zębów na betonowym moście

W budowie chodników i tras drogowych pozostawiono margines dla połączeń rozszerzających, składający się z oddzielenia między płytami, tak że wraz ze wzrostem temperatury nie pękają.

Na autostradach i mostach betonowych przestrzenie pozostają z elastycznym materiałem lub ze stawami rozszerzającymi w postaci zębów, które rosną ze sobą, pozostawiając przestrzenie. W ten sposób beton ma margines rozszerzenia i kontraktowania ze zmianami temperatury.

Złamania w szkle

Szklane pęknięcia przed nagłe zmiany temperatury. Jeśli szklane szkło jest wypełnione bardzo gorącą wodą, materiał się nagrzewa, powodując rozszerzenie w niektórych miejscach, co powoduje napięcia wewnętrzne, które prowadzą do złamań.

W przeciwieństwie do tego, co jest myśleć, grube szkło pęka łatwiej niż cienkie szkło. Wynika to z faktu, że im cieńszy materiał, tym szybsze jest rozkładanie ciepła, więc nie ma czasu na pojawienie się napięć wewnętrznych.

Zamrażanie wody

Woda jest przykładem ujemnego rozszerzalności cieplnej, to znaczy rozszerza się podczas chłodzenia, zjawisko występujące od 0 do 4 ºC. Jak wiadomo, podczas zamrażania całkowicie pełnej butelki wody pęknie.

Jednak ta jakość wody umożliwia tło rzek i jeziora.

Może ci służyć: utajone ciepło

Kłamstwo elektryczne

Elektryczne kable leżące nie są umieszczone w linii prostej między dwoma słupkami, ale pozostawiając trochę marginesu, aby się nieco zawiesić, tworząc krzywą. Dzieje się tak, ponieważ gdy pogoda staje się bardzo zimna, okablowanie ma tendencję do kurczenia się.

Z drugiej strony, gdy pogoda jest bardzo gorąca, często widać, że elektryczne kable leżące.

Nutki samolotów

W samolotach są one używane aluminium wytwarzane w celu przyłączenia się do części i zawsze są zwiększone niż odpowiedni otwór. Następnie, przed umieszczeniem ich na swoim miejscu, musisz je kurczyć, chłodząc je suchym lodem.

Istnieje wiele powodów, dla których nity są preferowane raz od spawania samolotów. Na przykład rodzaj aluminium stosowanego w produkcji samolotów jest trudny do spawania, a nawet jeśli zostanie osiągnięty, spawanie ostatecznie osłabia materiał. Z drugiej strony łatwiej jest sprawdzić i naprawić nity niż spoiny.

Ćwiczenie rozwiązane

Cienki pręt wykonany z pomiaru brązu 0.5 m długości do 20.0 ºC. Oblicz długość pręta po podgrzaniu do 50.0 ºC, wiedząc, że liniowy współczynnik rozszerzenia brązu w 20 ° C wynosi: 19 × 10^-6 ºC^-1 .

Rozwiązanie

Ponieważ pasek jest cienki, ma zastosowanie równanie rozszerzania liniowego:

L_F = L_albo (1 + αΔT)

Wystarczy zastąpić wartości pojawiające się w instrukcji:

ΔT = (50,0 −20,0) ºC = 30,0 ºC

L_F = 0.5 (1 + 19 × 10^-6 × 30) M = 0.500285 m