Приложението на линейното разширение в инженерството

Железопътните линии и мостовете може да се нуждаят от компенсатори. Металните тръби за отопление с топла вода не трябва да се използват на дълги, линейни дължини. Сканиращите електронни микроскопи трябва да откриват малки промени в температурата, за да променят позицията си спрямо точката на фокусиране. Течните термометри използват живак или алкохол, така че текат само в една посока, тъй като течността се разширява поради температурни промени. Всеки от тези примери показва как материалите се разширяват по дължина при нагряване.

TL; DR (твърде дълго; Не прочетох)

Линейното разширение на твърдо вещество при промяна на температурата може да бъде измерено с помощта на Δℓ / ℓ = αΔT и има приложения по начините, по които твърдите вещества се разширяват и свиват в ежедневието. Деформацията, която обектът претърпява, има последици в инженерството при напасването на обекти помежду си.

Когато твърдият материал се разширява в отговор на повишаване на температурата (термично разширение), той може да се увеличи по дължина в процес, известен като линейно разширение.

За твърдо вещество с дължина ℓ можете да измерите разликата в дължината Δℓ поради промяна в температурата ΔT, за да определите α, коефициента на топлинно разширение за твърдото вещество съгласно уравнението:

за пример приложение на разширяване и свиване.

Това уравнение обаче приема, че промяната в налягането е незначителна за малка фракционна промяна в дължината. Това съотношение на Δℓ / ℓ е известно още като деформация на материала, обозначено като ϵ_{термична}. Деформацията, реакция на материала на стрес, може да доведе до неговата деформация.

Можете да използвате коефициентите на линейно разширение на Engineering Toolbox, за да определите степента на разширяване на даден материал пропорционално на количеството на този материал. Той може да ви каже колко материал се разширява въз основа на това колко от този материал имате, както и колко от промяната в температурата прилагате за приложение на разширяване във физиката.

Ако искате да отворите стегнат буркан, можете да го пуснете под гореща вода, за да разширите леко капака и да улесните отварянето. Това е така, защото когато вещества, като твърди вещества, течности или газове, се нагряват, средната им стойностповишава се молекулярната кинетична енергия. Средната енергия на атомите, вибриращи в материала, се увеличава. Това увеличава разделянето между атомите и молекулите, което кара материала да се разширява.

Въпреки че това може да причини фазови промени като топене на лед във вода, термичното разширение обикновено е по-пряк резултат от повишаването на температурата. Използвате линейния коефициент на топлинно разширение, за да опишете това.

Материалите могат да се разширяват или свиват в отговор на тези химически промени, което води до мащабна промяна в размера от тези дребномащабни химични и термодинамични процеси по почти същия начин мостовете и сградите могат да се разширят при екстремни условия топлина. В инженерството можете да измервате промяната в дължината на твърдо вещество поради термично разширение.

​Анизотропен материалs, тези, които се различават по своята същност в различните посоки, могат да имат различни коефициенти на линейно разширение в зависимост от посоката. В тези случаи можете да използвате тензори, за да опишете топлинното разширение като тензор, матрица, която описва коефициента на топлинно разширение във всяка посока: x, y и z.

​Поликристаленматериалите, които съставят стъкло с почти нулеви микроскопични коефициенти на термично разширение, са много полезни за огнеупорни материали като пещи и пещи за изгаряне. Тензорите могат да опишат тези коефициенти, като отчитат различни посоки на линейно разширение в тези анизотропни материали.

Кордиерит, силикатен материал, който има един положителен коефициент на топлинно разширение и един отрицателен, означава, че неговият тензор описва промяна на обема по същество нула. Това го прави идеално вещество за огнеупорите.

Норвежки археолог предположи, че викингите са използвали термичното разширение накордиеритза да им помогне да се ориентират в моретата преди векове. В Исландия, с големи, прозрачни монокристали на кордиерит, те използваха слънчеви камъни от кордиерит, които поляризира светлината в определена посока само в определени ориентации на кристала, за да им позволи да се ориентират в облачно, облачни дни. Тъй като кристалите ще се разширяват по дължина дори с нисък коефициент на топлинно разширение, те показват ярък цвят.

Инженерите трябва да обмислят как обектите се разширяват и свиват, когато проектират конструкции като сгради и мостове. Когато се измерват разстояния за земни проучвания или се проектират форми и контейнери за горещи материали, те трябва отчете колко земя или чаша може да се разшири в отговор на промените в температурата им опит.

​Термостатиразчитат на биметални ленти от две различни тънки ленти метали, поставени една върху друга, така че едната се разширява много по-значително от другата поради промени в температурата. Това кара лентата да се огъва и когато се случи, затваря веригата на електрическа верига.

Това води до стартиране на климатика и чрез промяна на стойностите на термостата се променя разстоянието между лентата за затваряне на веригата. Когато външната температура достигне желаната стойност, металът се свива да отвори веригата и да спре климатика. Това е едно от многото примерни употреби на разширяване и свиване.

При предварително загряване на метални компоненти между 150 ° C и 300 ° C те се разширяват, така че могат да бъдат вкарани в друго отделение, процес, известен като индукционно свиване. Методите на UltraFlex Power Technologies включват теллонова изолация с индукционно свиване върху тел чрез нагряване на тръба от неръждаема стомана до 350 ° C с помощта на индукционна намотка.

Термичното разширение може да се използва за измерване на насищането на твърди вещества сред газовете и течностите, които той абсорбира с течение на времето. Можете да настроите експеримент за измерване на дължината на изсушен блок преди и след като го оставите да поеме вода с течение на времето. Промяната в дължината може да даде топлинния коефициент на разширение. Това има практическа употреба при определяне на това как сградите се разширяват с течение на времето, когато са изложени на въздух.

Линейните коефициенти на топлинно разширение варират като обратна на точката на топене на това вещество. Материалите с по-високи точки на топене имат по-ниски коефициенти на линейно термично разширение. Числата варират от около 400 К за сяра до около 3700 за волфрам.

Коефициентът на термично разширение също варира в зависимост от температурата на самия материал (особено дали температурата на стъкло преминаване е била кръстосани), структурата и формата на материала, всички добавки, участващи в експеримента, и потенциално омрежване между полимерите на вещество.

​Аморфни полимери, такива без кристални структури, са склонни да имат по-ниски коефициенти на топлинно разширение от полукристалните. Сред стъклото натриево-калциево-силициево-оксидното стъкло или натриево-калциевото силикатно стъкло има сравнително нисък коефициент 9, където боросиликатното стъкло, използвано за направата на стъклени предмети, е 4,5.

Термичното разширение варира между твърди вещества, течности и газове. Твърдите вещества обикновено запазват формата си, освен ако не са ограничени от контейнер. Те се разширяват, когато тяхната площ се променя по отношение на първоначалната им площ в процес, наречен ареално разширение или повърхностно разширение, както и тяхното изменение на обема спрямо първоначалния обем чрез обемно разширяване. Тези различни размери ви позволяват да измервате разширяването на твърдите вещества в много форми.

Разширяването на течности е много по-вероятно да приеме формата на контейнера, така че можете да използвате обемното разширение, за да обясните това. Линейният коефициент на топлинно разширение за твърди вещества еα, коефициентът за течности еβа топлинното разширение на газовете е законът за идеалния газ

за натискP, сила на звукаV, брой бенкин, газова константаRи температураT​.