Rel kereta api dan jembatan mungkin memerlukan sambungan ekspansi. Pipa pemanas air panas logam tidak boleh digunakan dalam panjang linier yang panjang. Pemindaian mikroskop elektronik perlu mendeteksi perubahan suhu yang sangat kecil untuk mengubah posisinya relatif terhadap titik fokusnya. Termometer cair menggunakan air raksa atau alkohol, sehingga hanya mengalir satu arah saat cairan memuai karena perubahan suhu. Masing-masing contoh ini menunjukkan bagaimana bahan memuai di bawah panas.
TL; DR (Terlalu Panjang; Tidak Membaca)
Ekspansi linier padatan di bawah perubahan suhu dapat diukur dengan menggunakan /ℓ = T dan memiliki aplikasi dalam cara padatan memuai dan menyusut dalam kehidupan sehari-hari. Ketegangan yang dialami objek memiliki implikasi dalam rekayasa saat memasang objek di antara satu sama lain.
Penerapan Ekspansi dalam Fisika
Ketika bahan padat memuai sebagai respons terhadap peningkatan suhu (ekspansi termal), ia dapat bertambah panjang dalam proses yang dikenal sebagai ekspansi linier.
Untuk benda padat dengan panjang, Anda dapat mengukur perbedaan panjang karena perubahan suhu T untuk menentukan, koefisien muai panas untuk benda padat menurut persamaan:
\frac{\Delta l}{l}=\alpha \Delta T
untuk contoh penerapan ekspansi dan kontraksi.
Persamaan ini, bagaimanapun, mengasumsikan perubahan tekanan dapat diabaikan untuk perubahan fraksional kecil panjangnya. Rasio /ℓ ini juga dikenal sebagai regangan material, dilambangkan sebagaipanas. Ketegangan, respons material terhadap stres, dapat menyebabkannya berubah bentuk.
Anda dapat menggunakan Coefficients of Linear Expansion dari Engineering Toolbox untuk menentukan laju ekspansi material secara proporsional dengan jumlah material tersebut. Ini dapat memberi tahu Anda seberapa banyak suatu materi mengembang berdasarkan seberapa banyak materi yang Anda miliki, serta seberapa banyak perubahan suhu yang Anda terapkan untuk aplikasi ekspansi dalam fisika.
Aplikasi Ekspansi Termal Benda Padat dalam Kehidupan Sehari-hari
Jika Anda ingin membuka stoples yang rapat, Anda bisa mengalirkannya di bawah air panas untuk membuka tutupnya sedikit dan membuatnya lebih mudah dibuka. Ini karena, ketika zat, seperti padatan, cairan atau gas, dipanaskan, rata-ratanya theirenergi kinetik molekul naik. Energi rata-rata atom yang bergetar di dalam material meningkat. Hal ini meningkatkan pemisahan antara atom dan molekul yang membuat materi mengembang.
Meskipun hal ini dapat menyebabkan perubahan fase seperti pencairan es menjadi air, ekspansi termal umumnya merupakan akibat langsung dari peningkatan suhu. Anda menggunakan koefisien linier ekspansi termal untuk menggambarkan ini.
Ekspansi Termal dari Termodinamika
Bahan dapat mengembang atau menyusut sebagai respons terhadap perubahan kimia ini yang membawa perubahan ukuran skala besar dari: proses kimia dan termodinamika skala kecil ini dalam banyak cara yang sama seperti jembatan dan bangunan dapat berkembang di bawah ekstrem panas. Dalam teknik, Anda dapat mengukur perubahan panjang zat padat karena ekspansi termal.
Bahan anisotropiks, yang substansinya bervariasi antara arah yang berbeda, mungkin memiliki koefisien ekspansi linier yang berbeda tergantung pada arahnya. Dalam kasus ini, Anda dapat menggunakan tensor untuk menggambarkan ekspansi termal sebagai tensor, matriks yang menggambarkan koefisien ekspansi termal di setiap arah: x, y dan z.
Tensor dalam Ekspansi
Polikristalinbahan yang membentuk kaca dengan koefisien ekspansi termal mikroskopis mendekati nol sangat berguna untuk refraktori seperti tungku dan insinerator. Tensor dapat menggambarkan koefisien ini dengan menghitung arah yang berbeda dari ekspansi linier dalam bahan anisotropik ini.
Cordierite, bahan silikat yang memiliki satu koefisien ekspansi termal positif dan satu negatif berarti tensornya menggambarkan perubahan volume pada dasarnya nol. Itu membuatnya menjadi zat yang ideal untuk refraktori.
Penerapan Ekspansi dan Kontraksi
Seorang arkeolog Norwegia berteori bahwa Viking menggunakan ekspansi termalcordieriteuntuk membantu mereka mengarungi lautan berabad-abad yang lalu. Di Islandia, dengan kristal tunggal cordierite yang besar dan transparan, mereka menggunakan batu matahari yang terbuat dari cordierite yang dapat mempolarisasikan cahaya ke arah tertentu hanya dalam orientasi kristal tertentu untuk memungkinkan mereka menavigasi di mendung, hari-hari mendung. Karena kristal akan memuai bahkan dengan koefisien muai panas yang rendah, mereka menunjukkan warna yang cerah.
Insinyur harus mempertimbangkan bagaimana objek mengembang dan mengerut saat merancang struktur seperti bangunan dan jembatan. Saat mengukur jarak untuk survei tanah atau merancang cetakan dan wadah untuk bahan panas, mereka harus: menghitung berapa banyak bumi atau kaca dapat mengembang sebagai respons terhadap perubahan suhu yang mereka lakukan pengalaman.
Termostatbergantung pada strip bimetalik dari dua strip tipis berbeda dari logam yang ditempatkan satu di atas yang lain, sehingga yang satu mengembang jauh lebih signifikan daripada yang lain karena perubahan suhu. Ini menyebabkan strip menekuk, dan, ketika itu terjadi, itu menutup loop sirkuit listrik.
Hal ini menyebabkan AC menyala, dan, dengan mengubah nilai termostat, jarak antara strip untuk menutup sirkuit berubah. Ketika suhu eksternal mencapai nilai yang diinginkan, logam berkontraksi untuk membuka sirkuit dan menghentikan AC. Ini adalah salah satu dari banyak contoh penggunaan ekspansi dan kontraksi.
Suhu Ekspansi Pra-Pemanasan
Saat pra-pemanasan komponen logam antara 150 ° C dan 300 ° C, mereka mengembang, sehingga mereka dapat dimasukkan ke dalam kompartemen lain, proses yang dikenal sebagai induksi menyusut pas. Metode UltraFlex Power Technologies telah melibatkan induksi menyusut pas insulasi Teflon ke kawat dengan memanaskan pipa baja tahan karat hingga 350 °C menggunakan koil induksi.
Ekspansi termal dapat digunakan untuk mengukur saturasi padatan di antara gas dan cairan yang diserapnya dari waktu ke waktu. Anda dapat mengatur eksperimen untuk mengukur panjang balok kering sebelum dan sesudah membiarkannya menyerap air dari waktu ke waktu. Perubahan panjang dapat memberikan koefisien ekspansi termal. Ini memegang penggunaan praktis dalam menentukan bagaimana bangunan berkembang dari waktu ke waktu ketika terkena udara.
Variasi Ekspansi Termal Di Antara Bahan
Koefisien ekspansi termal linier bervariasi sebagai kebalikan dari titik leleh zat itu. Bahan dengan titik leleh yang lebih tinggi memiliki koefisien ekspansi termal linier yang lebih rendah. Jumlahnya berkisar dari sekitar 400 K untuk belerang hingga sekitar 3.700 untuk tungsten.
Koefisien muai panas juga bervariasi menurut suhu bahan itu sendiri (khususnya apakah suhu transisi gelas telah disilangkan), struktur dan bentuk bahan, aditif apa pun yang terlibat dalam percobaan dan potensi ikatan silang di antara polimer dari zat.
Polimer amorf, yang tanpa struktur kristal, cenderung memiliki koefisien ekspansi termal yang lebih rendah daripada yang semikristalin. Diantara kaca, kaca natrium kalsium silikon oksida atau kaca soda-lime silikat, memiliki koefisien yang cukup rendah yaitu 9 dimana kaca borosilikat yang digunakan untuk membuat benda kaca adalah 4,5.
Ekspansi Termal berdasarkan Keadaan Materi
Ekspansi termal bervariasi antara padatan, cairan dan gas. Padatan umumnya mempertahankan bentuknya kecuali jika dibatasi oleh wadah. Mereka berkembang sebagai area mereka berubah sehubungan dengan area aslinya dalam proses yang disebut ekspansi area atau ekspansi dangkal, serta volumenya berubah sehubungan dengan volume asli melalui volumetrik ekspansi. Dimensi yang berbeda ini memungkinkan Anda mengukur ekspansi padatan dalam berbagai bentuk.
Ekspansi cairan lebih cenderung berbentuk wadah, jadi Anda dapat menggunakan pemuaian volumetrik untuk menjelaskan hal ini. Koefisien ekspansi termal linier untuk padatan adalahα, koefisien zat cair adalahβdan ekspansi termal gas adalah hukum gas ideal
PV=nRT
untuk tekananP, volumeV, jumlah moltidak, konstanta gasRdan suhuT.