قد تحتاج خطوط السكك الحديدية والجسور إلى وصلات تمدد. لا ينبغي استخدام أنابيب تسخين المياه المعدنية بأطوال خطية طويلة. تحتاج المجاهر الإلكترونية الماسحة إلى اكتشاف التغيرات الدقيقة في درجة الحرارة لتغيير موضعها بالنسبة إلى نقطة تركيزها. تستخدم موازين الحرارة السائلة الزئبق أو الكحول ، لذا فهي تتدفق في اتجاه واحد فقط مع تمدد السائل بسبب تغيرات درجة الحرارة. يوضح كل من هذه الأمثلة كيفية تمدد المواد في الطول تحت الحرارة.
TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم أقرأ)
يمكن قياس التمدد الخطي لمادة صلبة تحت التغير في درجة الحرارة باستخدام Δℓ / ℓ = αΔT ولها تطبيقات في الطرق التي تتوسع بها المواد الصلبة وتتقلص في الحياة اليومية. الإجهاد الذي يتعرض له الكائن له آثار في الهندسة عند تركيب الأشياء مع بعضها البعض.
تطبيق التوسع في الفيزياء
عندما تتوسع المادة الصلبة استجابة لزيادة درجة الحرارة (التمدد الحراري) ، يمكن أن يزداد الطول في عملية تعرف باسم التمدد الخطي.
للحصول على مادة صلبة بطول ، يمكنك قياس الفرق في الطول Δℓ بسبب التغير في درجة الحرارة ΔT لتحديد α ، معامل التمدد الحراري للمادة الصلبة وفقًا للمعادلة:
\ frac {\ Delta l} {l} = \ alpha \ Delta T.
كمثال لتطبيق التوسع والانكماش.
ومع ذلك ، تفترض هذه المعادلة أن التغيير في الضغط لا يكاد يذكر بالنسبة لتغيير كسري صغير في الطول. تُعرف هذه النسبة من Δℓ / أيضًا باسم إجهاد المادة ، ويُشار إليها باسم ϵحراري. يمكن أن يؤدي الإجهاد ، وهو استجابة المادة للضغط ، إلى تشوهها.
يمكنك استخدام معاملات التمدد الخطي الخاصة بصندوق الأدوات الهندسية لتحديد معدل التمدد للمادة بما يتناسب مع كمية تلك المادة. يمكن أن يخبرك مقدار تمدد المادة بناءً على كمية تلك المادة التي لديك ، وكذلك مقدار التغير في درجة الحرارة الذي تقوم بتطبيقه لتطبيق التوسع في الفيزياء.
تطبيقات التمدد الحراري للمواد الصلبة في الحياة اليومية
إذا كنت ترغب في فتح جرة محكمة الغلق ، يمكنك تشغيلها تحت الماء الساخن لتوسيع الغطاء قليلاً وتسهيل فتحه. هذا لأنه عندما يتم تسخين المواد ، مثل المواد الصلبة أو السوائل أو الغازات ، فإن متوسطهاترتفع الطاقة الحركية الجزيئية. يزداد متوسط طاقة الذرات التي تهتز داخل المادة. هذا يزيد من الفصل بين الذرات والجزيئات مما يجعل المادة تتمدد.
في حين أن هذا يمكن أن يسبب تغيرات في الطور مثل ذوبان الجليد في الماء ، فإن التمدد الحراري بشكل عام هو نتيجة مباشرة أكثر لزيادة درجة الحرارة. يمكنك استخدام المعامل الخطي للتمدد الحراري لوصف ذلك.
التمدد الحراري من الديناميكا الحرارية
قد تتوسع المواد أو تتقلص استجابة لهذه التغييرات الكيميائية مما يؤدي إلى تغيير واسع النطاق في الحجم من هذه العمليات الكيميائية والديناميكية الحرارية على نطاق صغير بنفس الطريقة التي قد تتوسع بها الجسور والمباني تحت أقصى الحدود الحرارة. في الهندسة ، يمكنك قياس التغير في طول مادة صلبة بسبب التمدد الحراري.
مادة متباينة الخواصs ، التي تختلف في مادتها بين اتجاهات مختلفة ، قد يكون لها معاملات تمدد خطية مختلفة اعتمادًا على الاتجاه. في هذه الحالات ، يمكنك استخدام الموترات لوصف التمدد الحراري على أنه موتر ، وهي مصفوفة تصف معامل التمدد الحراري في كل اتجاه: x و y و z.
موتر في التوسع
متعدد البلوراتالمواد التي يتكون منها الزجاج مع معاملات تمدد حراري مجهرية قريبة من الصفر مفيدة جدًا للحراريات مثل الأفران والمحارق. يمكن أن تصف الموترات هذه المعاملات من خلال حساب الاتجاهات المختلفة للتوسع الخطي في هذه المواد متباينة الخواص.
Cordierite ، مادة سيليكات لها معامل تمدد حراري موجب وواحد سالب واحد يعني أن موترها يصف تغيرًا في الحجم يساوي صفرًا بشكل أساسي. وهذا يجعلها مادة مثالية للحراريات.
تطبيق التوسع والانكماش
افترض عالم آثار نرويجي أن الفايكنج استخدموا التمدد الحراري لـكورديريتلمساعدتهم على الإبحار في البحار منذ قرون. في آيسلندا ، مع بلورات كبيرة وشفافة من الكورديريت ، استخدموا أحجار الشمس المصنوعة من الكورديريت التي يمكنها يستقطب الضوء في اتجاه معين فقط في اتجاهات معينة من البلورة للسماح لهم بالتنقل في حالة غائمة ، أيام ملبدة بالغيوم. نظرًا لأن البلورات ستتمدد في الطول حتى مع انخفاض معامل التمدد الحراري ، فقد أظهرت لونًا ساطعًا.
يجب على المهندسين النظر في كيفية تمدد الكائنات وتقلصها عند تصميم الهياكل مثل المباني والجسور. عند قياس المسافات لمسح الأراضي أو تصميم القوالب والحاويات للمواد الساخنة ، يجب عليهم ذلك حساب مقدار تمدد الأرض أو الزجاج استجابة للتغيرات في درجة الحرارة خبرة.
ثرموستاتتعتمد على شرائط ثنائية المعدن من شريحتين رفيعتين مختلفتين من المعادن موضوعة على بعضها البعض ، بحيث يتمدد أحدهما بشكل أكبر بكثير من الآخر بسبب التغيرات في درجة الحرارة. يؤدي هذا إلى ثني الشريط ، وعندما يحدث ذلك ، فإنه يغلق حلقة الدائرة الكهربائية.
يؤدي هذا إلى بدء تشغيل مكيف الهواء ، ومن خلال تغيير قيم منظم الحرارة ، تتغير المسافة بين الشريط لإغلاق الدائرة. عندما تصل درجة الحرارة الخارجية إلى قيمتها المرغوبة ، يتقلص المعدن لفتح الدائرة وإيقاف مكيف الهواء. هذا هو أحد الأمثلة العديدة لاستخدامات التوسع والانكماش.
درجات حرارة تمدد التسخين المسبق
عند التسخين المسبق للمكونات المعدنية بين 150 درجة مئوية و 300 درجة مئوية ، فإنها تتمدد ، بحيث يمكن إدخالها في حجرة أخرى ، وهي عملية تُعرف باسم تركيبات الانكماش الحثي. تضمنت طرق UltraFlex Power Technologies الحث الانكماش المناسب لعزل التفلون على سلك عن طريق تسخين أنبوب من الفولاذ المقاوم للصدأ إلى 350 درجة مئوية باستخدام ملف الحث.
يمكن استخدام التمدد الحراري لقياس تشبع المواد الصلبة بين الغازات والسوائل التي تمتصها بمرور الوقت. يمكنك إعداد تجربة لقياس طول الكتلة الجافة قبل وبعد السماح لها بامتصاص الماء بمرور الوقت. يمكن أن يعطي التغيير في الطول المعامل الحراري للتمدد. هذا له فائدة عملية في تحديد كيفية توسع المباني بمرور الوقت عند تعرضها للهواء.
التباين في التمدد الحراري بين المواد
تختلف معاملات التمدد الحراري الخطي كمعكس لنقطة انصهار تلك المادة. المواد ذات نقاط الانصهار الأعلى لها معاملات تمدد حراري خطي أقل. تتراوح الأرقام من حوالي 400 كلفن للكبريت إلى حوالي 3700 للتنغستن.
يختلف معامل التمدد الحراري أيضًا باختلاف درجة حرارة المادة نفسها (لا سيما ما إذا كانت درجة حرارة التزجج عبرت) ، وهيكل وشكل المادة ، وأي إضافات متضمنة في التجربة والربط المتبادل المحتمل بين بوليمرات مستوى.
بوليمرات غير متبلورة، تلك التي لا تحتوي على هياكل بلورية ، تميل إلى أن يكون لها معاملات تمدد حراري أقل من المعاملات شبه البلورية. من بين الزجاج ، زجاج أكسيد السيليكون الصوديوم أو زجاج سيليكات الصودا والجير ، له معامل منخفض إلى حد ما قدره 9 حيث يحتوي زجاج البورسليكات ، المستخدم في صنع الأجسام الزجاجية ، على 4.5.
التمدد الحراري حسب حالة المادة
يختلف التمدد الحراري بين المواد الصلبة والسوائل والغازات. تحافظ المواد الصلبة بشكل عام على شكلها ما لم تكن مقيدة بوعاء. يتوسعون مع تغير منطقتهم فيما يتعلق بمنطقتهم الأصلية في عملية تسمى التوسع المساحي أو التمدد السطحي ، وكذلك تغير حجمها بالنسبة للحجم الأصلي من خلال الحجم توسع. تتيح لك هذه الأبعاد المختلفة قياس تمدد المواد الصلبة في العديد من الأشكال.
من المرجح أن يتخذ التمدد السائل شكل الحاوية ، لذا يمكنك استخدام التمدد الحجمي لشرح ذلك. المعامل الخطي للتمدد الحراري للمواد الصلبة هوα، معامل السوائل هوβوالتمدد الحراري للغازات هو قانون الغاز المثالي
PV = nRT
للضغطص، أربعة حجمالخامسالخامس، عدد الشاماتن، ثابت الغازرودرجة الحرارةتي.
