Anvendelsen af ​​lineær udvidelse inden for teknik

Jernbaner og broer kan have behov for ekspansionsfuger. Rør til opvarmning af metal til varmt vand bør ikke bruges i lange, lineære længder. Scanning af elektroniske mikroskoper har brug for at opdage små ændringer i temperaturen for at ændre deres position i forhold til deres fokuspunkt. Flydende termometre bruger kviksølv eller alkohol, så de flyder kun i en retning, når væsken ekspanderer på grund af temperaturændringer. Hvert af disse eksempler viser, hvordan materialer udvides i længde under varme.

TL; DR (for lang; Har ikke læst)

Den lineære udvidelse af et fast stof under en temperaturændring kan måles ved hjælp af Δℓ / ℓ = αΔT og har anvendelser på måder, som faste stoffer udvides og trækker sig sammen i hverdagen. Den belastning, som genstanden gennemgår, har implikationer i konstruktionen, når objekter monteres indbyrdes.

Når fast materiale ekspanderer som reaktion på en temperaturforøgelse (termisk ekspansion), kan det øges i længden i en proces kendt som lineær ekspansion.

For et fast stof med længden ℓ kan du måle forskellen i længde Δℓ på grund af en ændring i temperaturen ΔT for at bestemme α, koefficienten for termisk ekspansion for det faste stof i henhold til ligningen:

som et eksempel på anvendelse af ekspansion og sammentrækning.

Denne ligning antager imidlertid, at trykændringen er ubetydelig for en lille fraktioneret længdeskift. Dette forhold på Δℓ / ℓ er også kendt som materialestamme, betegnet som ϵ_termisk. Stamme, et materiales reaktion på stress, kan få det til at deformeres.

Du kan bruge Engineering Toolbox's Koefficienter for lineær udvidelse til at bestemme udvidelseshastigheden for et materiale i forhold til mængden af ​​det materiale. Det kan fortælle dig, hvor meget et materiale udvider sig baseret på hvor meget af det materiale du har, samt hvor meget af en temperaturændring du anvender til en anvendelse af udvidelse i fysik.

Hvis du vil åbne en tæt krukke, kan du køre den under varmt vand for at udvide låget lidt og gøre det lettere at åbne. Dette skyldes, at når deres stoffer, som faste stoffer, væsker eller gasser, opvarmes, er deres gennemsnitmolekylær kinetisk energi stiger. Den gennemsnitlige energi af atomerne, der vibrerer i materialet, stiger. Dette øger separationen mellem atomer og molekyler, der får materialet til at ekspandere.

Selvom dette kan forårsage faseændringer såsom is, der smelter til vand, er den termiske ekspansion generelt et mere direkte resultat af temperaturstigningen. Du bruger den lineære varmeudvidelseskoefficient til at beskrive dette.

Materialerne kan ekspandere eller trække sig sammen som reaktion på disse kemiske ændringer, hvilket medfører en storstilet ændring i størrelse fra disse kemiske og termodynamiske processer i mindre målestok på samme måde som broer og bygninger kan udvides under ekstreme forhold varme. I teknik kan du måle ændringen i længden af ​​et fast stof på grund af termisk ekspansion.

​Anisotropisk materiales, dem der varierer i deres substans mellem forskellige retninger, kan have forskellige lineære ekspansionskoefficienter afhængigt af retningen. I disse tilfælde kan du bruge tensorer til at beskrive den termiske ekspansion som en tensor, en matrix, der beskriver den termiske ekspansionskoefficient i hver retning: x, y og z.

​Polykrystallinskmaterialer, der udgør glas med næsten nul mikroskopiske termiske ekspansionskoefficienter, er meget nyttige til ildfaste materialer såsom ovne og forbrændingsanlæg. Tensorer kan beskrive disse koefficienter ved at tage højde for forskellige retninger af lineær ekspansion i disse anisotrope materialer.

Cordierite, et silikatmateriel, der har en positiv termisk ekspansionskoefficient, og en negativ betyder, at dens tensor beskriver en volumenændring på i det væsentlige nul. Det gør det til et ideelt stof til ildfaste stoffer.

En norsk arkæolog teoretiserede, at vikinger brugte den termiske ekspansion afcordieritefor at hjælpe dem med at navigere i havene for århundreder siden. På Island, med store, gennemsigtige enkeltkrystaller af cordierite, brugte de solsten lavet af cordierite, der kunne polariser kun lyset i en bestemt retning i en bestemt retning af krystallen for at lade dem navigere på overskyet, overskyede dage. Da krystallerne ekspanderede i længden selv med en lav termisk ekspansionskoefficient, viste de en lys farve.

Ingeniører skal overveje, hvordan objekter udvides og trækker sig sammen, når de designer strukturer såsom bygninger og broer. Ved måling af afstande til landmålinger eller design af forme og beholdere til varme materialer skal de redegør for, hvor meget jorden eller et glas kan ekspandere som reaktion på temperaturændringerne erfaring.

​Termostaterstole på bimetalliske strimler af to forskellige tynde strimler af metaller placeret på hinanden, så den ene udvides meget mere markant end den anden på grund af temperaturændringer. Dette får strimlen til at bøje sig, og når den gør det, lukker den løkken på et elektrisk kredsløb.

Dette får klimaanlægget til at starte, og ved at ændre termostatens værdier ændres afstanden mellem strimlen for at lukke kredsløbet. Når den eksterne temperatur når den ønskede værdi, trækker metallet sig sammen for at åbne kredsløbet og stoppe klimaanlægget. Dette er en af ​​mange eksempler på anvendelser af ekspansion og sammentrækning.

Ved forvarmning af metalkomponenter mellem 150 ° C og 300 ° C udvides de, så de kan indsættes i et andet rum, en proces kendt som induktionskrympefitting. Metoderne i UltraFlex Power Technologies har involveret induktionskrympefitting Teflon-isolering på en ledning ved opvarmning af et rustfrit stålrør til 350 ° C ved hjælp af en induktionsspole.

Termisk ekspansion kan bruges til at måle mætning af faste stoffer blandt de gasser og væsker, den absorberer over tid. Du kan oprette et eksperiment til at måle længden af ​​en tørret blok før og efter at lade den absorbere vand over tid. Ændringen i længde kan give den termiske ekspansionskoefficient. Dette er praktisk anvendeligt til at bestemme, hvordan bygninger ekspanderer over tid, når de udsættes for luft.

De lineære termiske ekspansionskoefficienter varierer som en invers af stoffets smeltepunkt. Materialer med højere smeltepunkter har lavere lineære termiske ekspansionskoefficienter. Tallene spænder fra ca. 400 K for svovl op til ca. 3.700 for wolfram.

Koefficienten for termisk ekspansion varierer også efter selve materialets temperatur (især om glasovergangstemperaturen har været kryds), ​​materialets struktur og form, eventuelle additiver involveret i eksperimentet og potentiel tværbinding mellem polymererne i stof.

​Amorfe polymerer, dem uden krystallinske strukturer, har tendens til at have lavere varmeekspansionskoefficienter end halvkrystallinske. Blandt glas har natriumcalciumsiliciumoxidglas eller sodakalksilikatglas en ret lav koefficient på 9, hvor borosilikatglas, der bruges til at fremstille glasgenstande, er 4,5.

Termisk ekspansion varierer mellem faste stoffer, væsker og gasser. Faste stoffer holder generelt deres form, medmindre de er begrænset af en container. De udvider sig, når deres område ændres i forhold til deres oprindelige område i en proces, der kaldes arealudvidelse eller overfladisk ekspansion, såvel som deres volumen ændrer sig i forhold til originalvolumen gennem volumetrisk udvidelse. Disse forskellige dimensioner giver dig mulighed for at måle udvidelse af faste stoffer i mange former.

Flydende ekspansion er meget mere sandsynligt at have form af beholderen, så du kan bruge den volumetriske ekspansion til at forklare dette. Den lineære varmeudvidelseskoefficient for faste stoffer erα, koefficienten for væsker erβog den termiske udvidelse af gasser er den ideelle gaslov

for presP, volumenVantal moln, gaskonstantRog temperaturT​.