La aplicación de la expansión lineal en ingeniería

Los ferrocarriles y puentes pueden necesitar juntas de expansión. Las tuberías de calentamiento de agua caliente metálicas no deben usarse en tramos largos y lineales. Los microscopios electrónicos de barrido necesitan detectar cambios mínimos en la temperatura para cambiar su posición en relación con su punto de enfoque. Los termómetros de líquido usan mercurio o alcohol, por lo que fluyen en una sola dirección a medida que el líquido se expande debido a los cambios de temperatura. Cada uno de estos ejemplos demuestra cómo los materiales se expanden en longitud bajo el calor.

TL; DR (demasiado largo; No leí)

La expansión lineal de un sólido bajo un cambio de temperatura se puede medir usando Δℓ / ℓ = αΔT y tiene aplicaciones en las formas en que los sólidos se expanden y contraen en la vida cotidiana. La tensión que sufre el objeto tiene implicaciones en la ingeniería al encajar objetos entre sí.

Cuando un material sólido se expande en respuesta a un aumento de temperatura (expansión térmica), puede aumentar su longitud en un proceso conocido como expansión lineal.

Para un sólido de longitud ℓ, puede medir la diferencia de longitud Δℓ debido a un cambio en la temperatura ΔT para determinar α, el coeficiente de expansión térmica para el sólido de acuerdo con la ecuación:

para una aplicación de ejemplo de expansión y contracción.

Sin embargo, esta ecuación supone que el cambio de presión es insignificante para un pequeño cambio fraccionario de longitud. Esta relación de Δℓ / ℓ también se conoce como deformación del material, denotada como ϵ_térmico. La deformación, la respuesta de un material al estrés, puede hacer que se deforme.

Puede utilizar los coeficientes de expansión lineal de la Caja de herramientas de ingeniería para determinar la tasa de expansión de un material en proporción a la cantidad de ese material. Puede decirle cuánto se expande un material en función de la cantidad de ese material que tenga, así como la cantidad de cambio de temperatura que aplica para una aplicación de expansión en física.

Si desea abrir un frasco hermético, puede ponerlo bajo agua caliente para expandir ligeramente la tapa y facilitar la apertura. Esto se debe a que, cuando se calientan sustancias, como sólidos, líquidos o gases, su promediola energía cinética molecular aumenta. La energía media de los átomos que vibran dentro del material aumenta. Esto aumenta la separación entre átomos y moléculas que hace que el material se expanda.

Si bien esto puede causar cambios de fase, como la fusión del hielo en agua, la expansión térmica es generalmente un resultado más directo del aumento de temperatura. Utiliza el coeficiente lineal de expansión térmica para describir esto.

Los materiales pueden expandirse o contraerse en respuesta a estos cambios químicos provocando un cambio de tamaño a gran escala de Estos procesos químicos y termodinámicos a pequeña escala de la misma manera que los puentes y los edificios pueden expandirse bajo condiciones extremas. calor. En ingeniería, puede medir el cambio en la longitud de una sustancia sólida debido a la expansión térmica.

​Material anisotrópicos, que varían en su sustancia entre diferentes direcciones, pueden tener diferentes coeficientes de expansión lineal dependiendo de la dirección. En estos casos, puede usar tensores para describir la expansión térmica como un tensor, una matriz que describe el coeficiente de expansión térmica en cada dirección: x, y y z.

​PolicristalinoLos materiales que componen el vidrio con coeficientes de expansión térmica microscópicos cercanos a cero son muy útiles para refractarios como hornos e incineradores. Los tensores pueden describir estos coeficientes teniendo en cuenta las diferentes direcciones de expansión lineal en estos materiales anisotrópicos.

La cordierita, un material de silicato que tiene un coeficiente de expansión térmica positivo y uno negativo, significa que su tensor describe un cambio de volumen esencialmente cero. Eso la convierte en una sustancia ideal para refractarios.

Un arqueólogo noruego teorizó que los vikingos usaban la expansión térmica decordieritapara ayudarlos a navegar por los mares hace siglos. En Islandia, con monocristales grandes y transparentes de cordierita, usaron piedras solares hechas de cordierita que podían polarizar la luz en una cierta dirección solo en ciertas orientaciones del cristal para permitirles navegar en nubes, días nublados. Como los cristales se expandían en longitud incluso con un bajo coeficiente de expansión térmica, mostraban un color brillante.

Los ingenieros deben considerar cómo se expanden y contraen los objetos al diseñar estructuras como edificios y puentes. Al medir distancias para levantamientos terrestres o diseñar moldes y contenedores para materiales calientes, deben cuenta cuánto puede expandirse la tierra o un vidrio en respuesta a los cambios de temperatura que experiencia.

​Termostatosdependen de tiras bimetálicas de dos tiras delgadas de metal diferentes colocadas una sobre la otra, por lo que una se expande mucho más significativamente que la otra debido a los cambios de temperatura. Esto hace que la tira se doble y, cuando lo hace, cierra el bucle de un circuito eléctrico.

Esto hace que el aire acondicionado se encienda y, al cambiar los valores del termostato, cambia la distancia entre la tira para cerrar el circuito. Cuando la temperatura externa alcanza su valor deseado, el metal se contrae para abrir el circuito y detener el aire acondicionado. Este es uno de los muchos ejemplos de usos de expansión y contracción.

Al precalentar componentes metálicos entre 150 ° C y 300 ° C, se expanden, por lo que pueden insertarse en otro compartimento, un proceso conocido como ajuste por contracción por inducción. Los métodos de UltraFlex Power Technologies han involucrado la instalación por contracción por inducción de aislamiento de teflón en un alambre calentando una tubería de acero inoxidable a 350 ° C utilizando una bobina de inducción.

La expansión térmica se puede utilizar para medir la saturación de sólidos entre los gases y líquidos que absorbe con el tiempo. Puede configurar un experimento para medir la longitud de un bloque seco antes y después de dejar que absorba agua con el tiempo. El cambio de longitud puede dar el coeficiente de expansión térmica. Esto tiene un uso práctico para determinar cómo los edificios se expanden con el tiempo cuando se exponen al aire.

Los coeficientes de expansión térmica lineal varían como una inversa del punto de fusión de esa sustancia. Los materiales con puntos de fusión más altos tienen coeficientes de expansión térmica lineal más bajos. Los números van desde aproximadamente 400 K para el azufre hasta aproximadamente 3700 para el tungsteno.

El coeficiente de expansión térmica también varía según la temperatura del material en sí (particularmente si la temperatura de transición vítrea ha sido cruzados), la estructura y forma del material, los aditivos que intervienen en el experimento y la posible reticulación entre los polímeros del sustancia.

​Polímeros amorfos, los que no tienen estructuras cristalinas, tienden a tener coeficientes de expansión térmica más bajos que los semicristalinos. Entre el vidrio, el vidrio de óxido de silicio, calcio y sodio o el vidrio de silicato sódico-cal, tiene un coeficiente bastante bajo de 9 donde el vidrio de borosilicato, usado para hacer objetos de vidrio, es de 4.5.

La expansión térmica varía entre sólidos, líquidos y gases. Los sólidos generalmente mantienen su forma a menos que estén restringidos por un recipiente. Se expanden a medida que su área cambia con respecto a su área original en un proceso llamado expansión de área o expansión superficial, así como su volumen cambia con respecto al volumen original a través de volumétrica expansión. Estas diferentes dimensiones le permiten medir la expansión de sólidos en muchas formas.

Es mucho más probable que la expansión líquida adopte la forma del recipiente, por lo que puede utilizar la expansión volumétrica para explicar esto. El coeficiente lineal de expansión térmica para sólidos esα, el coeficiente para líquidos esβy la expansión térmica de los gases es la ley de los gases ideales

para presionPAG, volumenV, número de lunaresnorte, constante de gasRy temperaturaT​.