Die Anwendung der Längenausdehnung im Engineering

Eisenbahnen und Brücken benötigen möglicherweise Dehnungsfugen. Metallische Warmwasser-Heizungsrohre sollten nicht in langen, linearen Längen verwendet werden. Rasterelektronische Mikroskope müssen kleinste Temperaturänderungen erkennen, um ihre Position relativ zu ihrem Fokuspunkt zu ändern. Flüssigkeitsthermometer verwenden Quecksilber oder Alkohol, sodass sie nur in eine Richtung fließen, wenn sich die Flüssigkeit aufgrund von Temperaturänderungen ausdehnt. Jedes dieser Beispiele demonstriert, wie sich Materialien unter Hitze ausdehnen.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Die Längenausdehnung eines Festkörpers bei Temperaturänderung kann mit Δℓ/ℓ = αΔT gemessen werden und findet Anwendung bei der Art und Weise, wie Festkörper sich im Alltag ausdehnen und zusammenziehen. Die Belastung, der das Objekt ausgesetzt ist, hat Auswirkungen auf das Engineering beim Anpassen von Objekten aneinander.

Wenn sich festes Material als Reaktion auf eine Temperaturerhöhung ausdehnt (thermische Ausdehnung), kann es in der Länge in einem als lineare Ausdehnung bekannten Prozess zunehmen.

Für einen Festkörper der Länge ℓ können Sie den Längenunterschied Δℓ aufgrund einer Temperaturänderung ΔT messen, um α, den Wärmeausdehnungskoeffizienten für den Festkörper nach folgender Gleichung zu bestimmen:

für eine Beispielanwendung von Expansion und Kontraktion.

Diese Gleichung geht jedoch davon aus, dass die Druckänderung für eine kleine Bruchlängenänderung vernachlässigbar ist. Dieses Verhältnis von Δℓ/ℓ wird auch als Materialdehnung bezeichnet, bezeichnet als ϵ_Thermal-. Dehnung, die Reaktion eines Materials auf Spannung, kann dazu führen, dass es sich verformt.

Sie können die linearen Ausdehnungskoeffizienten der Engineering Toolbox verwenden, um die Ausdehnungsrate eines Materials im Verhältnis zur Menge dieses Materials zu bestimmen. Es kann Ihnen sagen, wie stark sich ein Material ausdehnt, basierend auf der Menge dieses Materials, die Sie haben, und wie viel Temperaturänderung Sie für eine Anwendung der Expansion in der Physik anwenden.

Wenn Sie ein enges Glas öffnen möchten, können Sie es unter heißes Wasser halten, um den Deckel etwas zu erweitern und das Öffnen zu erleichtern. Dies liegt daran, dass beim Erhitzen von Stoffen wie Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen ihr Mittelwertmolekulare kinetische Energie steigt. Die durchschnittliche Energie der im Material schwingenden Atome nimmt zu. Dies erhöht die Trennung zwischen Atomen und Molekülen, wodurch sich das Material ausdehnt.

Dies kann zwar Phasenänderungen wie das Schmelzen von Eis zu Wasser verursachen, die Wärmeausdehnung ist jedoch im Allgemeinen eine direktere Folge der Temperaturerhöhung. Um dies zu beschreiben, verwenden Sie den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Die Materialien können sich als Reaktion auf diese chemischen Veränderungen ausdehnen oder zusammenziehen, was zu einer großräumigen Größenänderung von Diese kleinen chemischen und thermodynamischen Prozesse können sich ähnlich wie Brücken und Gebäude unter extremen Bedingungen ausdehnen Hitze. Im Ingenieurwesen kann man die Längenänderung eines festen Stoffes aufgrund der Wärmeausdehnung messen.

​Anisotropes Materials, die in ihrer Substanz zwischen verschiedenen Richtungen variieren, können je nach Richtung unterschiedliche lineare Ausdehnungskoeffizienten haben. In diesen Fällen können Sie Tensoren verwenden, um die Wärmeausdehnung als Tensor zu beschreiben, eine Matrix, die den Wärmeausdehnungskoeffizienten in jede Richtung beschreibt: x, y und z.

​PolykristallinMaterialien, aus denen Glas mit einem mikroskopischen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe Null besteht, sind für feuerfeste Materialien wie Öfen und Verbrennungsöfen sehr nützlich. Tensoren können diese Koeffizienten beschreiben, indem sie unterschiedliche Richtungen der linearen Ausdehnung in diesen anisotropen Materialien berücksichtigen.

Cordierit, ein Silikatmaterial mit einem positiven und einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten bedeutet, dass sein Tensor eine Volumenänderung von im Wesentlichen Null beschreibt. Das macht es zu einem idealen Stoff für Feuerfestmaterialien.

Ein norwegischer Archäologe stellte die Theorie auf, dass die Wikinger die Wärmeausdehnung vonCordieritum ihnen vor Jahrhunderten bei der Navigation durch die Meere zu helfen. In Island wurden mit großen, transparenten Cordierit-Einkristallen Sonnensteine ​​aus Cordierit verwendet, die Polarisieren Sie das Licht nur in einer bestimmten Richtung des Kristalls in eine bestimmte Richtung, um sie bei Bewölkung navigieren zu lassen, bewölkte Tage. Da sich die Kristalle auch bei einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Länge ausdehnen, zeigten sie eine helle Farbe.

Ingenieure müssen berücksichtigen, wie sich Objekte ausdehnen und zusammenziehen, wenn sie Strukturen wie Gebäude und Brücken entwerfen. Beim Messen von Distanzen für Landvermessungen oder der Konstruktion von Formen und Behältern für heiße Materialien müssen sie Berücksichtigen Sie, wie stark sich die Erde oder ein Glas als Reaktion auf die Temperaturänderungen ausdehnen können Erfahrung.

​Thermostatebasieren auf Bimetallstreifen aus zwei unterschiedlich dünnen Metallstreifen, die übereinander gelegt werden, sodass sich einer aufgrund von Temperaturänderungen viel stärker ausdehnt als der andere. Dadurch verbiegt sich der Streifen und schließt dabei die Schleife eines Stromkreises.

Dadurch wird die Klimaanlage gestartet und durch Änderung der Thermostatwerte ändert sich der Abstand zwischen den Streifen zum Schließen des Kreislaufs. Wenn die Außentemperatur ihren gewünschten Wert erreicht, zieht sich das Metall zusammen, um den Kreislauf zu öffnen und die Klimaanlage zu stoppen. Dies ist eines von vielen Anwendungsbeispielen für Expansion und Kontraktion.

Beim Vorwärmen von Metallbauteilen zwischen 150 °C und 300 °C dehnen sie sich aus, sodass sie in ein anderes Fach eingelegt werden können, ein Verfahren, das als Induktionsschrumpfen bekannt ist. Die Methoden von UltraFlex Power Technologies beinhalten das Induktionsschrumpfen der Teflonisolierung auf einen Draht durch Erhitzen eines Edelstahlrohrs auf 350 °C unter Verwendung einer Induktionsspule.

Die thermische Ausdehnung kann verwendet werden, um die Sättigung von Feststoffen zwischen den Gasen und Flüssigkeiten, die es im Laufe der Zeit absorbiert, zu messen. Sie können ein Experiment durchführen, um die Länge eines getrockneten Blocks zu messen, bevor und nachdem er im Laufe der Zeit Wasser aufgenommen hat. Die Längenänderung kann den thermischen Ausdehnungskoeffizienten angeben. Dies ist von praktischem Nutzen, um zu bestimmen, wie sich Gebäude über die Zeit ausdehnen, wenn sie Luft ausgesetzt sind.

Die linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten variieren umgekehrt zum Schmelzpunkt dieser Substanz. Materialien mit höheren Schmelzpunkten haben niedrigere lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Zahlen reichen von etwa 400 K für Schwefel bis zu etwa 3.700 für Wolfram.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient variiert auch durch die Temperatur des Materials selbst (insbesondere ob die Glasübergangstemperatur gekreuzt), die Struktur und Form des Materials, eventuell am Versuch beteiligte Zusätze und mögliche Vernetzungen zwischen den Polymeren der Substanz.

​Amorphe Polymere, solche ohne kristalline Strukturen, haben tendenziell niedrigere Wärmeausdehnungskoeffizienten als halbkristalline. Unter Glas hat Natrium-Kalzium-Silizium-Oxid-Glas oder Natron-Kalk-Silikat-Glas einen ziemlich niedrigen Koeffizienten von 9, während das zur Herstellung von Glasgegenständen verwendete Borsilikatglas 4,5 beträgt.

Die Wärmeausdehnung variiert zwischen Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen. Volumenkörper behalten im Allgemeinen ihre Form, es sei denn, sie werden durch einen Container eingeschränkt. Sie dehnen sich aus, wenn sich ihre Fläche in Bezug auf ihre ursprüngliche Fläche in einem Prozess namens Flächenexpansion ändert oder oberflächliche Ausdehnung, sowie deren Volumenänderung gegenüber dem ursprünglichen Volumen durch volumetrische Erweiterung. Mit diesen unterschiedlichen Dimensionen können Sie die Ausdehnung von Feststoffen in vielen Formen messen.

Die Flüssigkeitsexpansion erfolgt viel wahrscheinlicher in Form des Behälters, daher können Sie die volumetrische Expansion verwenden, um dies zu erklären. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient für Feststoffe istα, der Koeffizient für Flüssigkeiten istβund die Wärmeausdehnung von Gasen ist das ideale Gasgesetz

für DruckP, LautstärkeV, Anzahl der Molnein, GaskonstanteRund TemperaturT​.