Željeznice i mostovi možda trebaju dilatacijske spojeve. Metalne cijevi za grijanje tople vode ne smiju se upotrebljavati u dugim, linearnim duljinama. Skenirajući elektronički mikroskopi trebaju otkriti minute promjene temperature kako bi promijenili svoj položaj u odnosu na točku fokusa. Tekući termometri koriste živu ili alkohol pa teku u samo jednom smjeru dok se tekućina širi uslijed promjena temperature. Svaki od ovih primjera pokazuje kako se materijali šire duljinom pod vrućinom.
TL; DR (predugo; Nisam pročitao)
Linearno širenje krutine pod promjenom temperature može se izmjeriti pomoću Δℓ / ℓ = αΔT i ima primjenu na načine na koje se krute tvari šire i skupljaju u svakodnevnom životu. Soj koji predmet podvrgava utječe na inženjerstvo kada se objekti međusobno uklapaju.
Primjena ekspanzije u fizici
Kada se čvrsti materijal proširi kao odgovor na porast temperature (toplinsko širenje), može se povećati duljina u procesu poznatom kao linearno širenje.
Za kruto tijelo duljine ℓ možete izmjeriti razliku u duljini Δℓ zbog promjene temperature ΔT kako biste odredili α, koeficijent toplinskog širenja krutine prema jednadžbi:
\ frac {\ Delta l} {l} = \ alpha \ Delta T
za primjer primjene proširenja i stezanja.
Ova jednadžba, međutim, pretpostavlja da je promjena tlaka zanemariva za malu djelomičnu promjenu duljine. Ovaj omjer Δℓ / ℓ poznat je i kao deformacija materijala, označena kao ϵtoplinska. Soj, odgovor materijala na stres, može dovesti do njegove deformacije.
Koeficijente linearnog širenja Engineering Toolboxa možete koristiti za određivanje brzine širenja materijala proporcionalno količini tog materijala. Može vam reći koliko se materijal širi na temelju koliko tog materijala imate, kao i koliku promjenu temperature primjenjujete za primjenu širenja u fizici.
Primjene toplinskog širenja krutih tvari u svakodnevnom životu
Ako želite otvoriti usku teglu, možete je provući pod vruću vodu kako biste lagano proširili poklopac i olakšali otvaranje. To je zato što, kada se tvari poput krutina, tekućina ili plinova zagriju, njihov je prosjekmolekularna kinetička energija raste. Prosječna energija atoma koji vibriraju unutar materijala raste. To povećava razdvajanje između atoma i molekula zbog čega se materijal širi.
Iako to može uzrokovati fazne promjene poput topljenja leda u vodi, toplinsko širenje je općenito izravniji rezultat povećanja temperature. Za opisivanje koristite linearni koeficijent toplinskog širenja.
Toplinsko širenje iz termodinamike
Materijali se mogu proširiti ili skupiti kao odgovor na ove kemijske promjene donoseći veliku promjenu veličine od ovi mali kemijski i termodinamički procesi na gotovo isti način na koji se mostovi i zgrade mogu proširiti u ekstremnim uvjetima toplina. U inženjerstvu možete izmjeriti promjenu duljine krute tvari zbog toplinskog širenja.
Anizotropni materijals, oni koji se razlikuju u svojoj supstanciji u različitim smjerovima, mogu imati različite koeficijente linearnog širenja, ovisno o smjeru. U tim slučajevima možete koristiti tenzore da biste opisali toplinsko širenje kao tenzor, matricu koja opisuje koeficijent toplinskog širenja u svakom smjeru: x, y i z.
Tenzori u ekspanziji
Polikristalnamaterijali koji čine staklo s gotovo nula mikroskopskih koeficijenata toplinskog širenja vrlo su korisni za vatrostalne materijale poput peći i spalionica. Tenzori mogu opisati te koeficijente računajući različite smjerove linearnog širenja u tim anizotropnim materijalima.
Cordierite, silikatni materijal koji ima jedan pozitivan koeficijent toplinskog širenja i jedan negativni, znači da njegov tenzor opisuje promjenu volumena koja je u osnovi nula. To ga čini idealnom tvari za vatrostalne materijale.
Primjena proširenja i stezanja
Norveški arheolog teoretizirao je da su Vikinzi koristili toplinsku ekspanzijukordieritda im pomogne u plovidbi morima prije nekoliko stoljeća. Na Islandu su s velikim, prozirnim monokristalima kordierita koristili kamenje za sunčanje izrađeno od kordierita koji je mogao polarizirati svjetlost u određenom smjeru samo u određenim orijentacijama kristala kako bi im omogućili da se oblačno kreću, oblačni dani. Kako će se kristali širiti u duljinu čak i s malim koeficijentom toplinskog širenja, pokazali su svijetlu boju.
Inženjeri moraju razmotriti kako se predmeti šire i skupljaju prilikom projektiranja građevina poput zgrada i mostova. Prilikom mjerenja udaljenosti za snimanje zemljišta ili projektiranje kalupa i spremnika za vruće materijale, moraju računati koliko se zemlja ili čaša mogu proširiti kao odgovor na promjene temperature iskustvo.
Termostatioslanjati se na bimetalne trake dvije različite tanke metalne trake postavljene jednu na drugu, pa se jedna zbog promjena temperature širi mnogo značajnije od druge. To uzrokuje savijanje trake i, kad se dogodi, zatvara petlju električnog kruga.
To uzrokuje pokretanje klima uređaja, a promjenom vrijednosti termostata mijenja se udaljenost između trake za zatvaranje kruga. Kad vanjska temperatura dosegne željenu vrijednost, metal se ugovara da otvori krug i zaustavi klima uređaj. Ovo je jedan od mnogih primjera korištenja širenja i skupljanja.
Temperature predgrijavanja ekspanzije
Kada se prethodno zagriju metalne komponente između 150 ° C i 300 ° C, one se šire, pa se mogu umetnuti u drugi odjeljak, postupak poznat kao indukcijsko skupljanje. Metode UltraFlex Power Technologies uključuju indukcijsku steznu ugradnju teflonske izolacije na žicu zagrijavanjem cijevi od nehrđajućeg čelika na 350 ° C pomoću indukcijske zavojnice.
Toplinsko širenje može se koristiti za mjerenje zasićenja krutina plinovima i tekućinama koje apsorbira tijekom vremena. Možete postaviti eksperiment za mjerenje duljine osušenog bloka prije i nakon puštanja da vremenom upije vodu. Promjena duljine može dati toplinski koeficijent širenja. To ima praktičnu uporabu u određivanju širenja zgrada tijekom vremena kada su izložene zraku.
Varijacije toplinskog širenja među materijalima
Koeficijenti linearnog toplinskog širenja variraju kao inverzna vrijednost točke taljenja te tvari. Materijali s višim talištima imaju niže koeficijente linearnog toplinskog širenja. Brojevi se kreću od oko 400 K za sumpor do oko 3700 za volfram.
Koeficijent toplinskog širenja također varira ovisno o temperaturi samog materijala (osobito je li temperatura prijelaza stakla bila prekriženo), strukturu i oblik materijala, sve aditive koji su uključeni u eksperiment i potencijalno umrežavanje među polimerima supstancija.
Amorfni polimeri, oni bez kristalnih struktura, imaju tendenciju nižih koeficijenata toplinskog širenja od polukristalnih. Među staklom, natrijev kalcij-silicij-oksidni staklo ili soda-vapneno silikatno staklo imaju prilično nizak koeficijent 9, gdje borosilikatno staklo, koje se koristi za izradu staklenih predmeta, iznosi 4,5.
Toplinsko širenje prema stanju
Toplinsko širenje varira između krutina, tekućina i plinova. Čvrste tvari uglavnom zadržavaju oblik ako ih ne ograničava spremnik. Proširuju se kako se njihovo područje mijenja s obzirom na prvotno područje u procesu koji se naziva površinsko širenje ili površinsko širenje, kao i njihov volumen koji se mijenja u odnosu na izvorni volumen volumetrijskim širenje. Te različite dimenzije omogućuju vam mjerenje širenja krutina u mnogim oblicima.
Ekspanzija tekućine puno je vjerojatnije da će imati oblik spremnika, pa za to možete objasniti volumetrijsko širenje. Linearni koeficijent toplinskog širenja krutih tvari jeα, koeficijent za tekućine jeβa toplinsko širenje plinova je zakon idealnog plina
PV = nRT
za pritisakStr, volumenV, broj madežan, plinska konstantaRi temperatureT.