Sadržaj
- TL; DR (Predugo; nisam pročitao)
- Primjena ekspanzije u fizici
- Primjene toplinskog širenja krutih tvari u svakodnevnom životu
- Toplinsko širenje iz termodinamike
- Tenzori u ekspanziji
- Primjena širenja i kontrakcije
- Temperature ekspanzije predgrijavanja
- Varijacija toplinskog širenja među materijalima
- Toplinsko širenje prema stanju materije
Željeznice i mostovi mogu trebati dilatacijske spojeve. Metalne cijevi za toplu vodu za grijanje ne smiju se koristiti u dugim, linearnim duljinama. Elektronički mikroskopi za skeniranje trebaju otkriti minutne promjene temperature da bi promijenili svoj položaj u odnosu na njihovu točku fokusa. Tekući termometri koriste živu ili alkohol, pa teku u samo jednom smjeru dok se tekućina širi zbog temperaturnih promjena. Svaki od ovih primjera pokazuje kako se materijali šire u duljini pod toplinom.
TL; DR (Predugo; nisam pročitao)
Linearno širenje krutine pri promjeni temperature može se mjeriti pomoću ℓℓ / ℓ = αΔT i ima primjenu u načinima na koji se krute tvari šire i skupljaju u svakodnevnom životu. Naprezanje kojem se objekt podvrgava ima implikacije u inženjeringu pri postavljanju predmeta među sobom.
Primjena ekspanzije u fizici
Kada se kruti materijal širi kao odgovor na povećanje temperature (toplinsko širenje), on može povećati duljinu u procesu poznatom kao linearno širenje.
Za čvrstoću duljine ℓ, možete izmjeriti razliku u duljini Δℓ zbog promjene temperature ΔT da biste odredili α, koeficijent toplinskog širenja za čvrsto tvar prema jednadžbi: Δℓ / ℓ = αΔT za primjer primjene širenja i stezanja.
Ova jednadžba, međutim, pretpostavlja da je promjena tlaka zanemariva zbog male frakcijske promjene duljine. Ovaj omjer ℓℓ / ℓ također je poznat i kao naprezanje materijala, označeno kao ϵtermalni, Napetost, reakcija materijala na stres, može prouzrokovati deformaciju.
Možete upotrijebiti koeficijente linearne ekspanzije inženjerskih alata kako biste odredili brzinu širenja materijala srazmjerno količini tog materijala. Može vam reći koliko materijala se proširuje na osnovu toga koliko materijala imate, kao i koliko promjene temperature primjenjujete za primjenu ekspanzije u fizici.
Primjene toplinskog širenja krutih tvari u svakodnevnom životu
Ako želite otvoriti usku staklenku, možete je pokrenuti pod vrućom vodom kako biste malo otvorili poklopac i olakšali ga otvaranje. To je zato što, kada se tvari, poput krutih tvari, tekućina ili plinova, zagrijavaju, njihov prosjek molekulska kinetička energija raste, Povećava se prosječna energija atoma koji vibriraju unutar materijala. To povećava razdvajanje atoma i molekula zbog čega se materijal širi.
Iako to može uzrokovati fazne promjene, poput topljenja leda u vodi, toplinska ekspanzija je generalno izravniji rezultat porasta temperature. Da biste to opisali, koristite linearni koeficijent toplinske ekspanzije.
Toplinsko širenje iz termodinamike
Materijali se mogu proširiti ili skupiti kao odgovor na te kemijske promjene što dovodi do velike promjene veličine ovih malih kemijskih i termodinamičkih procesa na gotovo isti način na kojima se mostovi i zgrade mogu proširiti pod velikim vrućinama. U inženjerstvu možete izmjeriti promjenu duljine krute tvari zbog toplinskog širenja.
Anizotropni materijals, oni koji se razlikuju u svojoj supstanci između različitih smjerova, mogu imati različite koeficijente linearne ekspanzije ovisno o smjeru. U tim slučajevima možete koristiti tenzore da biste opisali toplinsku ekspanziju kao tenzor, matricu koja opisuje koeficijent toplinskog širenja u svakom smjeru: x, y i z.
Tenzori u ekspanziji
polycrystalline materijali koji čine staklo s skoro nultim koeficijentima toplinskog širenja vrlo su korisni za vatrostalne materijale kao što su peći i spalionice. Tenzori mogu opisati ove koeficijente izračunavanjem različitih smjerova linearnog širenja u tim anizotropnim materijalima.
Cordierite, silikatni materijal koji ima jedan pozitivni koeficijent toplinskog širenja i jedan negativan znači da njegov tenzor opisuje promjenu volumena u osnovi nula. To ga čini idealnom supstancom za vatrostalne materijale.
Primjena širenja i kontrakcije
Norveški arheolog teoretizirao je da su Vikingi koristili toplinsku ekspanziju kordierit kako bi im pomogli da se kreću morima prije više stoljeća. Na Islandu su s velikim, prozirnim monokristalima kardijeerita koristili sunčeve kamenje izrađene od kordierita koje su mogle polarizirati svjetlost u određenom smjeru samo u određenim orijentacijama kristala kako bi im omogućili navigaciju u oblačnim, oblačnim danima. Kako bi se kristali povećavali u duljini čak i s malim koeficijentom toplinske ekspanzije, pokazali su svijetlu boju.
Inženjeri moraju uzeti u obzir kako se objekti proširuju i skupljaju prilikom projektiranja građevina poput zgrada i mostova. Prilikom mjerenja udaljenosti za istraživanje zemljišta ili oblikovanje kalupa i spremnika za vruće materijale, oni moraju uzeti u obzir koliko zemlje ili čaše može proširiti kao odgovor na promjene temperature koje doživljavaju.
termostati oslanjaju se na bimetalne trake dviju različitih tankih traka od metala postavljenih jedna na drugu, pa se jedna širi znatno značajnije od druge zbog promjena temperature. To uzrokuje savijanje trake i, kad se dogodi, zatvara petlju električnog kruga.
Zbog toga se klima uređaj pokreće, a promjenom vrijednosti termostata, mijenja se udaljenost između trake za zatvaranje kruga. Kad vanjska temperatura dosegne željenu vrijednost, metal se ugovori za otvaranje kruga i zaustavljanje klima uređaja. Ovo je jedno od mnogih primjera širenja i sažimanja.
Temperature ekspanzije predgrijavanja
Kod predgrijavanja metalnih dijelova između 150 ° C i 300 ° C, oni se proširuju, tako da se mogu umetnuti u drugi odjeljak, proces poznat kao indukcijsko skupljanje. Metode UltraFlex Power Technologies uključuju ugradnju teflonske izolacije indukcijskog skupljanja na žicu grijanjem cijevi od nehrđajućeg čelika na 350 ° C pomoću indukcijske zavojnice.
Toplinsko širenje može se koristiti za mjerenje zasićenosti krutih tvari plinovima i tekućinama koje apsorbira tijekom vremena. Možete postaviti eksperiment za mjerenje duljine osušenog bloka prije i nakon što mu dopustite da tijekom vremena upije vodu. Promjena duljine može dati toplinski koeficijent ekspanzije. Ovo ima praktičnu primjenu u određivanju kako se zgrade s vremenom proširuju kada su izložene zraku.
Varijacija toplinskog širenja među materijalima
Koeficijenti linearne toplinske ekspanzije variraju u odnosu na točku taljenja te tvari. Materijali s većim talištem imaju niže koeficijente linearnog toplinskog širenja. Brojevi se kreću od oko 400 K za sumpor do oko 3,700 za volfram.
Koeficijent toplinskog širenja također varira od temperature samog materijala (posebno je li prekrižena temperatura stakla), strukture i oblika materijala, bilo kojeg aditiva uključenog u eksperimentu i potencijalnog umrežavanja između polimera tvar.
Amorfni polimeri, one bez kristalnih struktura, imaju tendenciju da imaju niže koeficijente toplinske ekspanzije od polukristalnih. Među staklom, natrijev kalcijev silicij oksidni staklo ili soda-krečno silikatno staklo ima prilično nizak koeficijent 9, gdje ima borosilikatno staklo 4,5 koji se koristi za izradu staklenih predmeta 4,5.
Toplinsko širenje prema stanju materije
Toplinska ekspanzija varira između krutih tvari, tekućina i plinova. Čvrste tvari obično zadržavaju oblik, osim ako ih ograničavaju spremnici. Oni se šire kako se njihovo područje mijenja s obzirom na izvorno područje u procesu koji se naziva areal ekspanzija ili površinska ekspanzija, kao i promjena volumena u odnosu na izvorni volumen kroz volumetrijsko širenje. Ove različite dimenzije omogućuju vam mjerenje ekspanzije krutih čestica u mnogim oblicima.
Tekuća ekspanzija znatno je vjerojatnije da će imati oblik spremnika, tako da možete objasniti volumetrijsku ekspanziju. Linearni koeficijent toplinskog širenja za krute tvari je α, koeficijent za tekućine je β a toplinsko širenje plinova je zakon idealnog plina PV = nRT za pritisak P, volumen V, broj molova n, konstanta plina R i temperature T.