Lineaarisen laajennuksen soveltaminen tekniikassa

Rautatiet ja sillat saattavat tarvita laajennusliitoksia. Metallisia kuumavesiputkia ei tule käyttää pitkiä, lineaarisia pituuksia. Skannaavien elektronisten mikroskooppien on havaittava lämpötilan pienet muutokset, jotta niiden sijaintia voidaan muuttaa suhteessa tarkennuspisteeseen. Nestemäisissä lämpömittareissa käytetään elohopeaa tai alkoholia, joten ne virtaavat vain yhteen suuntaan, kun neste laajenee lämpötilan muutosten vuoksi. Jokainen näistä esimerkeistä osoittaa, kuinka materiaalien pituus kasvaa kuumuudessa.

TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)

Kiinteän aineen lineaarinen laajeneminen lämpötilan muutoksessa voidaan mitata käyttämällä Δℓ / ℓ = αΔT, ja sillä on sovelluksia kiinteiden aineiden laajenemiseen ja supistumiseen jokapäiväisessä elämässä. Esineen kärsimällä on merkitystä suunnittelussa sovitettaessa esineitä keskenään.

Kun kiinteä materiaali laajenee lämpötilan nousun (lämpölaajenemisen) seurauksena, se voi pidentyä lineaarisena laajenemisena tunnetussa prosessissa.

Kiinteälle aineelle, jonka pituus on ℓ, voit mitata lämpötilan muutoksesta johtuvan pituuden Δℓ lämpötilan muutoksesta ΔT kiinteän aineen lämpölaajenemiskertoimen määrittämiseksi yhtälön mukaan:

esimerkkinä laajenemisesta ja supistumisesta.

Tämä yhtälö kuitenkin olettaa, että paineen muutos on merkityksetön pienessä pituuden muutoksessa. Tämä Δℓ / ℓ-suhde tunnetaan myös materiaalikantona, jota merkitään ϵ_lämpö. Kanta, materiaalin reaktio stressiin, voi aiheuttaa sen muodonmuutoksen.

Voit määrittää Engineering Toolboxin lineaarisen laajennuksen kertoimet määrittämään materiaalin laajenemisnopeuden suhteessa kyseisen materiaalin määrään. Se voi kertoa, kuinka paljon materiaali laajenee sen perusteella, kuinka paljon kyseisestä materiaalista sinulla on, sekä kuinka paljon lämpötilan muutosta käytät laajennuksen soveltamiseen fysiikassa.

Jos haluat avata tiukan purkin, voit ajaa sitä kuuman veden alla kannen hieman laajentamiseksi ja helpottamiseksi avaamista. Tämä johtuu siitä, että aineita, kuten kiinteitä aineita, nesteitä tai kaasuja, kuumennetaan, niiden keskiarvomolekyylikineettinen energia nousee. Materiaalissa tärisevien atomien keskimääräinen energia kasvaa. Tämä lisää atomien ja molekyylien välistä eroa, joka saa materiaalin laajenemaan.

Vaikka tämä voi aiheuttaa vaihemuutoksia, kuten jään sulaminen veteen, lämpölaajeneminen on yleensä suorempaa seurausta lämpötilan noususta. Tämän kuvaamiseen käytetään lineaarista lämpölaajenemiskerrointa.

Materiaalit voivat laajentua tai supistua vastauksena näihin kemiallisiin muutoksiin tuoden suuria muutoksia kooltaan nämä pienimuotoiset kemialliset ja termodynaamiset prosessit samalla tavalla sillat ja rakennukset voivat laajentua äärimmäisissä olosuhteissa lämpöä. Tekniikassa voit mitata kiinteän aineen pituuden muutoksen lämpölaajenemisen vuoksi.

​Anisotrooppinen materiaaliNiillä, jotka vaihtelevat aineestaan ​​eri suuntien välillä, voi olla erilaiset lineaariset laajenemiskertoimet suunnasta riippuen. Näissä tapauksissa voit käyttää tensoreita kuvaamaan lämpölaajenemista tensorina, matriisina, joka kuvaa lämpölaajenemiskertoimen kumpaankin suuntaan: x, y ja z.

​Monikiteinenmateriaalit, jotka muodostavat lasin lähes nolla mikroskooppisella lämpölaajenemiskertoimella, ovat erittäin hyödyllisiä tulenkestävissä aineissa, kuten uuneissa ja polttouunissa. Tensorit voivat kuvata nämä kertoimet ottamalla huomioon eri lineaarisen laajenemisen suunnat näissä anisotrooppisissa materiaaleissa.

Kordieriitti, silikaattimateriaali, jolla on yksi positiivinen lämpölaajenemiskerroin ja yksi negatiivinen, tarkoittaa, että sen tensori kuvaa olennaisesti nollan tilavuuden muutosta. Se tekee siitä ihanteellisen aineen tulenkestäville aineille.

Norjalainen arkeologi teorioi, että viikinkit käyttivätkordieriittiauttaa heitä navigoimaan merillä vuosisatoja sitten. Islannissa he käyttivät suurilla, läpinäkyvillä kordieriittikiteillä aurinkokiveä, jotka oli valmistettu voimistavasta kordieriitista polarisoi valo tietyssä suunnassa vain kiteen tietyissä suunnissa, jotta he voivat navigoida pilvisenä, pilvinen päivä. Koska kiteiden pituus kasvaa jopa alhaisella lämpölaajenemiskertoimella, ne osoittivat kirkasta väriä.

Suunnittelijoiden on otettava huomioon, kuinka esineet laajenevat ja supistuvat suunnitellessaan rakenteita, kuten rakennuksia ja siltoja. Kun mitataan etäisyyksiä maanmittauksiin tai suunnitellaan muotteja ja astioita kuumille materiaaleille, niiden on oltava otetaan huomioon, kuinka paljon maa tai lasi voi laajentua vastauksena niiden lämpötilan muutoksiin kokea.

​Termostaatitluottaa kahden eri ohuen metallinauhan bimetalliliuskoihin, jotka on asetettu toistensa päälle, joten yksi laajenee huomattavasti enemmän kuin toinen lämpötilan muutosten vuoksi. Tämä saa nauhan taipumaan, ja kun se taipuu, se sulkee sähköpiirin silmukan.

Tämä saa ilmastointilaitteen käynnistymään, ja muuttamalla termostaatin arvoja nauhan välinen etäisyys piirin muuttuessa muuttuu. Kun ulkoinen lämpötila saavuttaa halutun arvon, metalli sitoutuu avaamaan piirin ja pysäyttämään ilmastointilaitteen. Tämä on yksi monista laajennuksen ja supistumisen esimerkkitavoista.

Kun kuumennetaan metallikomponentteja 150 ° C: n ja 300 ° C: n välillä, ne laajenevat, jotta ne voidaan sijoittaa toiseen osastoon, prosessi, joka tunnetaan nimellä induktiokutistuma. UltraFlex Power Technologies -menetelmissä on käytetty induktiokutistuvaa tefloneristyksen asentamista langalle lämmittämällä ruostumattomasta teräksestä valmistettu putki 350 ° C: seen induktiokelalla.

Lämpölaajenemista voidaan käyttää kiintoaineiden kyllästymisen mittaamiseen niiden absorboimien kaasujen ja nesteiden välillä ajan mittaan. Voit määrittää kokeen kuivuneen lohkon pituuden mittaamiseksi ennen kuin annat sen imeä vettä ajan mittaan. Pituuden muutos voi antaa lämpölaajenemiskertoimen. Tämä on käytännöllistä käyttöä määritettäessä, kuinka rakennukset laajenevat ajan myötä, kun ne altistuvat ilmalle.

Lineaariset lämpölaajenemiskertoimet vaihtelevat käänteisenä kyseisen aineen sulamispisteeseen. Materiaaleilla, joilla on korkeammat sulamispisteet, on pienemmät lineaariset lämpölaajenemiskertoimet. Luvut vaihtelevat noin 400 K: sta rikkiin ja noin 3 700: een volframin osalta.

Lämpölaajenemiskerroin vaihtelee myös itse materiaalin lämpötilan mukaan (erityisesti onko lasittumislämpötila ollut) ristissä), materiaalin rakenne ja muoto, mahdolliset kokeessa käytettävät lisäaineet ja mahdollinen silloitus aineen polymeerien välillä aine.

​Amorfiset polymeeritNiillä, joilla ei ole kiteisiä rakenteita, on yleensä pienemmät lämpölaajenemiskertoimet kuin puolikiteisillä. Lasista natriumkalsium-piioksidilasilla tai sooda-kalkkisilikaattilasilla on melko alhainen kerroin 9, jossa on boorisilikaattilasia, jota käytetään lasiesineiden valmistamiseen, on 4,5.

Lämpölaajeneminen vaihtelee kiinteiden aineiden, nesteiden ja kaasujen välillä. Kiinteät aineet yleensä säilyttävät muotonsa, ellei niitä estä säiliö. Ne laajenevat, kun niiden pinta-ala muuttuu suhteessa alkuperäiseen alueeseensa prosessissa, jota kutsutaan alueen laajentamiseksi tai pinnallinen laajeneminen samoin kuin niiden tilavuus muuttuu suhteessa alkuperäiseen tilavuuteen tilavuusmittauksen kautta laajentuminen. Näiden eri mittojen avulla voit mitata kiintoaineen laajenemista monessa muodossa.

Nesteen laajeneminen tapahtuu paljon todennäköisemmin astian muodossa, joten voit selittää tämän tilavuuslaajenemisen avulla. Kiinteiden aineiden lämpölaajenemiskerroin on lineaarinenα, nesteiden kerroin onβja kaasujen lämpölaajeneminen on ihanteellinen kaasulaki

painetta vartenP, äänenvoimakkuusV, moolien lukumäärän, kaasuvakioRja lämpötilaT​.