Aplikace lineární expanze ve strojírenství

Železnice a mosty mohou potřebovat dilatační spáry. Kovové trubky pro ohřev teplé vody by se neměly používat v dlouhých, lineárních délkách. Skenování elektronických mikroskopů musí detekovat nepatrné změny teploty, aby se změnila jejich poloha vzhledem k jejich zaostřovacímu bodu. Kapalinové teploměry používají rtuť nebo alkohol, takže proudí pouze jedním směrem, protože kapalina expanduje v důsledku teplotních změn. Každý z těchto příkladů ukazuje, jak se materiály za tepla rozpínají do délky.

TL; DR (příliš dlouhý; Nečetl)

Lineární roztažnost pevné látky při změně teploty lze měřit pomocí Δℓ / ℓ = αΔT a má aplikace ve způsobech expanze a kontrakce pevných látek v každodenním životě. Napětí, kterému objekt podléhá, ​​má důsledky v inženýrství při vzájemném spojování předmětů.

Když se pevný materiál rozpíná v reakci na zvýšení teploty (tepelná roztažnost), může se prodloužit v procesu známém jako lineární roztažnost.

U tělesa délky ℓ můžete změřit rozdíl v délce Δℓ v důsledku změny teploty ΔT a určit α, koeficient tepelné roztažnosti tělesa podle rovnice:

například aplikace expanze a kontrakce.

Tato rovnice však předpokládá, že změna tlaku je pro malou částečnou změnu délky zanedbatelná. Tento poměr Δℓ / ℓ je také známý jako kmen materiálu, označovaný jako ϵ_tepelný. Kmen, reakce materiálu na napětí, může způsobit jeho deformaci.

K určení rychlosti roztažení materiálu v poměru k množství tohoto materiálu můžete použít koeficienty lineárního roztažení Engineering Toolbox. Může vám říci, o kolik se materiál roztahuje na základě toho, kolik z tohoto materiálu máte, a také podle toho, jak velkou změnu teploty aplikujete na aplikaci expanze ve fyzice.

Pokud chcete otevřít těsnou nádobu, můžete ji spustit horkou vodou, abyste mírně rozšířili víko a usnadnili jeho otevření. Je to proto, že když se látky, jako jsou pevné látky, kapaliny nebo plyny, zahřívají, jejich průměrmolekulární kinetická energie stoupá. Průměrná energie atomů vibrujících uvnitř materiálu se zvyšuje. To zvyšuje separaci mezi atomy a molekulami, díky níž se materiál rozpíná.

I když to může způsobit fázové změny, jako je tání ledu na vodu, tepelná roztažnost je obecně přímějším důsledkem zvýšení teploty. K popisu toho použijete lineární koeficient tepelné roztažnosti.

Materiály se mohou rozpínat nebo smršťovat v reakci na tyto chemické změny, což přináší rozsáhlou změnu velikosti od tyto malé chemické a termodynamické procesy v malém měřítku se mosty a budovy mohou extrémně rozpínat teplo. Ve strojírenství můžete měřit změnu délky pevné látky v důsledku tepelné roztažnosti.

​Anizotropní materiáls, ty, které se liší svou podstatou mezi různými směry, mohou mít různé koeficienty lineární roztažnosti v závislosti na směru. V těchto případech můžete použít tenzory k popisu tepelné roztažnosti jako tenzoru, matice, která popisuje koeficient tepelné roztažnosti v každém směru: x, yaz.

​Polykrystalickýmateriály, které tvoří sklo s téměř nulovými mikroskopickými koeficienty tepelné roztažnosti, jsou velmi užitečné pro žáruvzdorné materiály, jako jsou pece a spalovny. Tenzory mohou tyto koeficienty popsat zohledněním různých směrů lineární expanze v těchto anizotropních materiálech.

Cordierit, silikátový materiál, který má jeden kladný koeficient tepelné roztažnosti a jeden záporný znamená, že jeho tenzor popisuje změnu objemu v podstatě nulovou. Díky tomu je ideální látkou pro žáruvzdorné materiály.

Norský archeolog se domníval, že Vikingové použili tepelnou roztažnostkordieritabychom jim pomohli zorientovat se v mořích před staletími. Na Islandu s velkými průhlednými monokrystaly kordieritu používali sluneční kameny vyrobené z kordieritu, které mohly polarizovat světlo v určitém směru pouze v určitých orientacích krystalu, aby se mohly pohybovat po zatažené obloze, zatažené dny. Jelikož krystaly expandovaly do délky i při nízkém koeficientu tepelné roztažnosti, vykazovaly jasnou barvu.

Inženýři musí při navrhování konstrukcí, jako jsou budovy a mosty, zvážit, jak se objekty rozpínají a smršťují. Při měření vzdáleností pro pozemní průzkumy nebo navrhování forem a kontejnerů na horké materiály musí vezměte v úvahu, jak moc se může Země nebo sklo rozpínat v reakci na změny teploty Zkušenosti.

​Termostatyspoléhejte na bimetalové proužky ze dvou různých tenkých proužků kovů umístěných jeden na druhém, takže jeden se díky změnám teploty rozpíná mnohem výrazněji než druhý. To způsobí, že se pás ohne, a když se tak stane, uzavře smyčku elektrického obvodu.

To způsobí spuštění klimatizace a změnou hodnot termostatu se změní vzdálenost mezi proužkem k uzavření okruhu. Když vnější teplota dosáhne požadované hodnoty, kov se smrští, aby otevřel okruh a zastavil klimatizaci. Toto je jedno z mnoha příkladů použití expanze a kontrakce.

Při předehřívání kovových součástí mezi 150 ° C a 300 ° C se roztáhnou, takže je lze vložit do jiného oddílu, což je proces známý jako indukční smršťovací tvarovka. Metody společnosti UltraFlex Power Technologies zahrnovaly indukčně smršťovací teflonovou izolaci na drát zahřátím trubky z nerezové oceli na 350 ° C pomocí indukční cívky.

Tepelnou roztažností lze měřit nasycení pevných látek mezi plyny a kapalinami, které absorbuje v průběhu času. Můžete nastavit experiment pro měření délky sušeného bloku před a po tom, co necháte časem absorbovat vodu. Změna délky může dát tepelný koeficient roztažnosti. To má praktické využití při určování toho, jak se budovy časem rozšiřují, když jsou vystaveny vzduchu.

Lineární koeficienty tepelné roztažnosti se mění jako inverzní k bodu tání této látky. Materiály s vyššími body tání mají nižší lineární koeficienty tepelné roztažnosti. Čísla se pohybují od asi 400 K pro síru až po asi 3 700 pro wolfram.

Koeficient tepelné roztažnosti se také liší podle teploty samotného materiálu (zejména zda byla teplota skelného přechodu zkřížené), struktura a tvar materiálu, jakékoli přísady zapojené do experimentu a potenciální zesíťování mezi polymery látka.

​Amorfní polymery, bez krystalických struktur, mívají nižší koeficienty tepelné roztažnosti než semikrystalické. Mezi sklem má sodno-vápenaté sklo z oxidu křemičitého nebo sodnovápenatokřemičité sklo poměrně nízký koeficient 9, kde má borosilikátové sklo, které se používá k výrobě skleněných předmětů, 4,5.

Tepelná roztažnost se liší mezi pevnými látkami, kapalinami a plyny. Tělesa si obecně udržují svůj tvar, pokud nejsou omezeny nádobou. Rozšiřují se, jak se jejich oblast mění s ohledem na jejich původní oblast v procesu zvaném plošná expanze nebo povrchová expanze, stejně jako jejich objem se mění s ohledem na původní objem prostřednictvím objemové rozšíření. Tyto různé dimenze umožňují měřit rozpínání pevných látek v mnoha formách.

Rozptyl kapaliny je mnohem pravděpodobnější, že bude mít podobu nádoby, takže k vysvětlení můžete použít objemovou roztažnost. Lineární koeficient tepelné roztažnosti pro pevné látky jeα, koeficient pro kapaliny jeβa tepelná roztažnost plynů je zákon ideálního plynu

pro tlakP, objemPROTI, počet krtkůn, plynová konstantaRa teplotaT​.