L'application de l'expansion linéaire en ingénierie

Les voies ferrées et les ponts peuvent nécessiter des joints de dilatation. Les tuyaux de chauffage à eau chaude en métal ne doivent pas être utilisés sur de longues longueurs linéaires. Les microscopes électroniques à balayage doivent détecter des changements infimes de température pour changer leur position par rapport à leur point focal. Les thermomètres à liquide utilisent du mercure ou de l'alcool, ils ne s'écoulent donc que dans une seule direction lorsque le liquide se dilate en raison des changements de température. Chacun de ces exemples montre comment les matériaux se dilatent en longueur sous l'effet de la chaleur.

TL; DR (trop long; n'a pas lu)

L'expansion linéaire d'un solide sous un changement de température peut être mesurée à l'aide de Δℓ/ℓ = αΔT et a des applications dans la manière dont les solides se dilatent et se contractent dans la vie quotidienne. La tension subie par l'objet a des implications en ingénierie lors de l'ajustement des objets les uns aux autres.

Lorsqu'un matériau solide se dilate en réponse à une augmentation de la température (expansion thermique), sa longueur peut augmenter dans un processus appelé expansion linéaire.

Pour un solide de longueur ℓ, vous pouvez mesurer la différence de longueur due à un changement de température ΔT pour déterminer, le coefficient de dilatation thermique du solide selon l'équation :

pour un exemple d'application d'expansion et de contraction.

Cette équation, cependant, suppose que le changement de pression est négligeable pour un petit changement fractionnaire de longueur. Ce rapport Δℓ/ℓ est également connu sous le nom de déformation matérielle, notée ϵ_thermique. La contrainte, la réponse d'un matériau au stress, peut provoquer sa déformation.

Vous pouvez utiliser les coefficients d'expansion linéaire de Engineering Toolbox pour déterminer le taux d'expansion d'un matériau en proportion de la quantité de ce matériau. Il peut vous dire combien un matériau se dilate en fonction de la quantité de ce matériau que vous avez, ainsi que du changement de température que vous appliquez pour une application de dilatation en physique.

Si vous souhaitez ouvrir un bocal hermétique, vous pouvez le passer sous l'eau chaude pour élargir légèrement le couvercle et faciliter l'ouverture. En effet, lorsque des substances, comme des solides, des liquides ou des gaz, sont chauffées, leur moyennel'énergie cinétique moléculaire augmente. L'énergie moyenne des atomes vibrant au sein du matériau augmente. Cela augmente la séparation entre les atomes et les molécules, ce qui fait que le matériau se dilate.

Bien que cela puisse provoquer des changements de phase tels que la fonte de la glace en eau, la dilatation thermique est généralement un résultat plus direct de l'augmentation de la température. Vous utilisez le coefficient de dilatation thermique linéaire pour décrire cela.

Les matériaux peuvent se dilater ou se contracter en réponse à ces changements chimiques entraînant un changement de taille à grande échelle de ces processus chimiques et thermodynamiques à petite échelle de la même manière que les ponts et les bâtiments peuvent s'étendre sous des conditions extrêmes. Chauffer. En ingénierie, vous pouvez mesurer la variation de longueur d'une substance solide due à la dilatation thermique.

​Matériau anisotropes, ceux qui varient dans leur substance entre différentes directions, peuvent avoir des coefficients de dilatation linéaire différents selon la direction. Dans ces cas, vous pouvez utiliser des tenseurs pour décrire la dilatation thermique comme un tenseur, une matrice qui décrit le coefficient de dilatation thermique dans chaque direction: x, y et z.

​Polycristallinles matériaux qui composent le verre avec des coefficients de dilatation thermique microscopiques proches de zéro sont très utiles pour les réfractaires tels que les fours et les incinérateurs. Les tenseurs peuvent décrire ces coefficients en tenant compte des différentes directions d'expansion linéaire dans ces matériaux anisotropes.

La cordiérite, un matériau de silicate qui a un coefficient de dilatation thermique positif et un négatif signifie que son tenseur décrit un changement de volume pratiquement nul. Cela en fait une substance idéale pour les réfractaires.

Un archéologue norvégien a émis l'hypothèse que les Vikings utilisaient la dilatation thermique decordiéritepour les aider à naviguer sur les mers il y a des siècles. En Islande, avec de gros monocristaux transparents de cordiérite, ils utilisaient des pierres solaires en cordiérite qui pouvaient polariser la lumière dans une certaine direction uniquement dans certaines orientations du cristal pour les laisser naviguer sur nuageux, jours nuageux. Comme les cristaux se dilataient en longueur même avec un faible coefficient de dilatation thermique, ils présentaient une couleur vive.

Les ingénieurs doivent tenir compte de la façon dont les objets se dilatent et se contractent lors de la conception de structures telles que des bâtiments et des ponts. Lors de la mesure des distances pour les levés topographiques ou la conception de moules et de conteneurs pour matériaux chauds, ils doivent compte de combien la terre ou un verre peut se dilater en réponse aux changements de température qu'ils vivre.

​Thermostatsreposent sur des bilames de deux fines bandes de métaux différentes placées l'une sur l'autre, de sorte que l'une se dilate beaucoup plus que l'autre en raison des changements de température. Cela provoque la flexion de la bande et, lorsqu'elle le fait, elle ferme la boucle d'un circuit électrique.

Cela provoque le démarrage du climatiseur et, en changeant les valeurs du thermostat, la distance entre la bande pour fermer le circuit change. Lorsque la température extérieure atteint sa valeur souhaitée, le métal se contracte pour ouvrir le circuit et arrêter le climatiseur. C'est l'un des nombreux exemples d'utilisation de l'expansion et de la contraction.

Lors du préchauffage des composants métalliques entre 150°C et 300°C, ils se dilatent, de sorte qu'ils peuvent être insérés dans un autre compartiment, un processus connu sous le nom de frettage par induction. Les méthodes d'UltraFlex Power Technologies ont consisté à ajuster par induction une isolation en téflon sur un fil en chauffant un tuyau en acier inoxydable à 350 °C à l'aide d'une bobine d'induction.

La dilatation thermique peut être utilisée pour mesurer la saturation des solides parmi les gaz et les liquides qu'elle absorbe au fil du temps. Vous pouvez mettre en place une expérience pour mesurer la longueur d'un bloc séché avant et après l'avoir laissé absorber de l'eau au fil du temps. Le changement de longueur peut donner le coefficient de dilatation thermique. Cela a une utilité pratique pour déterminer comment les bâtiments se développent au fil du temps lorsqu'ils sont exposés à l'air.

Les coefficients de dilatation thermique linéaire varient comme l'inverse du point de fusion de cette substance. Les matériaux avec des points de fusion plus élevés ont des coefficients de dilatation thermique linéaire inférieurs. Les chiffres vont d'environ 400 K pour le soufre jusqu'à environ 3 700 pour le tungstène.

Le coefficient de dilatation thermique varie également en fonction de la température du matériau lui-même (en particulier si la température de transition vitreuse a été croisés), la structure et la forme du matériau, les éventuels additifs impliqués dans l'expérience et la réticulation potentielle entre les polymères du substance.

​Polymères amorphes, ceux sans structures cristallines, ont tendance à avoir des coefficients de dilatation thermique inférieurs à ceux semi-cristallins. Parmi le verre, le verre d'oxyde de sodium calcium et de silicium ou le verre de silicate sodocalcique, a un coefficient assez faible de 9 là où le verre borosilicaté, utilisé pour fabriquer des objets en verre est de 4,5.

La dilatation thermique varie entre les solides, les liquides et les gaz. Les solides conservent généralement leur forme à moins qu'ils ne soient contraints par un conteneur. Ils s'étendent à mesure que leur zone change par rapport à leur zone d'origine dans un processus appelé expansion de surface ou expansion superficielle, ainsi que leur changement de volume par rapport au volume d'origine par volumétrie expansion. Ces différentes dimensions vous permettent de mesurer l'expansion des solides sous de nombreuses formes.

L'expansion liquide est beaucoup plus susceptible de prendre la forme d'un récipient, vous pouvez donc utiliser l'expansion volumétrique pour expliquer cela. Le coefficient linéaire de dilatation thermique pour les solides estα, le coefficient pour les liquides estβet la dilatation thermique des gaz est la loi des gaz parfaits

pour la pressionP, le volumeV, nombre de molesm, constante de gazRet la températureT​.