L'applicazione dell'espansione lineare in ingegneria

Ferrovie e ponti potrebbero necessitare di giunti di dilatazione. I tubi metallici per il riscaldamento dell'acqua calda non devono essere utilizzati in lunghezze lunghe e lineari. I microscopi elettronici a scansione devono rilevare piccoli cambiamenti di temperatura per cambiare la loro posizione rispetto al punto di messa a fuoco. I termometri a liquido utilizzano mercurio o alcool, quindi scorrono in una sola direzione mentre il liquido si espande a causa delle variazioni di temperatura. Ciascuno di questi esempi dimostra come i materiali si espandono in lunghezza sotto il calore.

TL; DR (troppo lungo; non ho letto)

L'espansione lineare di un solido sotto un cambiamento di temperatura può essere misurata usando Δℓ/ℓ = αΔT e ha applicazioni nei modi in cui i solidi si espandono e si contraggono nella vita di tutti i giorni. La tensione a cui è sottoposto l'oggetto ha implicazioni nell'ingegneria quando si adattano gli oggetti l'uno all'altro.

Quando il materiale solido si espande in risposta a un aumento della temperatura (espansione termica), può aumentare in lunghezza in un processo noto come espansione lineare.

Per un solido di lunghezza ℓ, puoi misurare la differenza di lunghezza dovuta a una variazione di temperatura ΔT per determinare α, il coefficiente di dilatazione termica del solido secondo l'equazione:

per un esempio di applicazione di espansione e contrazione.

Questa equazione, tuttavia, presuppone che la variazione di pressione sia trascurabile per una piccola variazione frazionaria di lunghezza. Questo rapporto di Δℓ/ℓ è anche noto come deformazione del materiale, indicata come ϵ_termico. La deformazione, la risposta di un materiale allo stress, può provocarne la deformazione.

È possibile utilizzare i coefficienti di espansione lineare di Engineering Toolbox per determinare il tasso di espansione di un materiale in proporzione alla quantità di quel materiale. Può dirti quanto un materiale si espande in base alla quantità di quel materiale che hai, nonché quanto cambiamento di temperatura applichi per un'applicazione di espansione in fisica.

Se vuoi aprire un barattolo stretto, puoi farlo passare sotto l'acqua calda per espandere leggermente il coperchio e facilitarne l'apertura. Questo perché, quando si riscaldano sostanze, come solidi, liquidi o gas, la loro medial'energia cinetica molecolare aumenta. L'energia media degli atomi che vibrano all'interno del materiale aumenta. Questo aumenta la separazione tra atomi e molecole che fa espandere il materiale.

Sebbene ciò possa causare cambiamenti di fase come lo scioglimento del ghiaccio in acqua, l'espansione termica è generalmente un risultato più diretto dell'aumento della temperatura. Si usa il coefficiente lineare di espansione termica per descriverlo.

I materiali possono espandersi o contrarsi in risposta a questi cambiamenti chimici portando un cambiamento di dimensioni su larga scala da questi processi chimici e termodinamici su piccola scala più o meno allo stesso modo in cui ponti ed edifici possono espandersi in condizioni estreme calore. In ingegneria, è possibile misurare la variazione della lunghezza di una sostanza solida dovuta all'espansione termica.

​Materiale anisotropos, quelli che variano nella loro sostanza tra direzioni diverse, possono avere coefficienti di espansione lineare diversi a seconda della direzione. In questi casi, puoi usare i tensori per descrivere l'espansione termica come un tensore, una matrice che descrive il coefficiente di espansione termica in ciascuna direzione: x, yez.

​Policristallinoi materiali che compongono il vetro con coefficienti di dilatazione termica microscopici vicini allo zero sono molto utili per refrattari come forni e inceneritori. I tensori possono descrivere questi coefficienti tenendo conto delle diverse direzioni di espansione lineare in questi materiali anisotropi.

La cordierite, un materiale di silicato che ha un coefficiente di espansione termica positivo e uno negativo, significa che il suo tensore descrive una variazione di volume essenzialmente zero. Questo lo rende una sostanza ideale per i refrattari.

Un archeologo norvegese ha teorizzato che i Vichinghi usassero l'espansione termica dicordieriteper aiutarli a navigare nei mari secoli fa. In Islanda, con grandi e trasparenti cristalli singoli di cordierite, usavano pietre del sole fatte di cordierite che potevano polarizzare la luce in una certa direzione solo in determinati orientamenti del cristallo per farli navigare su nuvoloso, giorni nuvolosi. Poiché i cristalli si espandevano in lunghezza anche con un basso coefficiente di espansione termica, mostravano un colore brillante.

Gli ingegneri devono considerare come gli oggetti si espandono e si contraggono durante la progettazione di strutture come edifici e ponti. Quando si misurano le distanze per i rilievi del terreno o si progettano stampi e contenitori per materiali caldi, devono conto di quanto la terra o un vetro possono espandersi in risposta ai cambiamenti di temperatura che essi Esperienza.

​Termostatisi basano su strisce bimetalliche di due diverse strisce sottili di metalli poste l'una sull'altra, quindi una si dilata molto più significativamente dell'altra a causa delle variazioni di temperatura. Ciò fa sì che la striscia si pieghi e, quando lo fa, chiude l'anello di un circuito elettrico.

Questo fa partire il condizionatore e, variando i valori del termostato, cambia la distanza tra la striscia per chiudere il circuito. Quando la temperatura esterna raggiunge il valore desiderato, il metallo si contrae per aprire il circuito e fermare il condizionatore. Questo è uno dei tanti usi esemplificativi di espansione e contrazione.

Quando si preriscaldano componenti metallici tra 150°C e 300°C, si espandono, quindi possono essere inseriti in un altro scomparto, un processo noto come calettamento a induzione. I metodi di UltraFlex Power Technologies hanno coinvolto l'isolamento in teflon termoretraibile a induzione su un filo riscaldando un tubo di acciaio inossidabile a 350°C utilizzando una bobina di induzione.

L'espansione termica può essere utilizzata per misurare la saturazione dei solidi tra i gas e i liquidi che assorbe nel tempo. Puoi impostare un esperimento per misurare la lunghezza di un blocco essiccato prima e dopo averlo lasciato assorbire l'acqua nel tempo. La variazione di lunghezza può dare il coefficiente di dilatazione termica. Questo vale per l'uso pratico nel determinare come gli edifici si espandono nel tempo quando sono esposti all'aria.

I coefficienti di dilatazione termica lineare variano come un inverso del punto di fusione di tale sostanza. I materiali con punti di fusione più elevati hanno coefficienti di dilatazione termica lineare più bassi. I numeri vanno da circa 400 K per lo zolfo fino a circa 3.700 per il tungsteno.

Il coefficiente di dilatazione termica varia anche dalla temperatura del materiale stesso (in particolare se la temperatura di transizione vetrosa è stata incrociato), la struttura e la forma del materiale, gli eventuali additivi coinvolti nell'esperimento e la potenziale reticolazione tra i polimeri del sostanza.

​Polimeri amorfi, quelle prive di strutture cristalline, tendono ad avere coefficienti di dilatazione termica inferiori rispetto a quelle semicristalline. Tra il vetro, il vetro sodio calcio silicio ossido o il vetro silicato sodico-calcico, ha un coefficiente abbastanza basso di 9 dove ha il vetro borosilicato, utilizzato per realizzare oggetti in vetro è 4.5.

L'espansione termica varia tra solidi, liquidi e gas. I solidi generalmente mantengono la loro forma a meno che non siano vincolati da un contenitore. Si espandono quando la loro area cambia rispetto alla loro area originale in un processo chiamato espansione areale o espansione superficiale, così come il loro volume che cambia rispetto al volume originale attraverso volumetrico espansione. Queste diverse dimensioni consentono di misurare l'espansione dei solidi in molte forme.

È molto più probabile che l'espansione liquida assuma la forma del contenitore, quindi puoi usare l'espansione volumetrica per spiegarlo. Il coefficiente lineare di dilatazione termica per i solidi èα, il coefficiente per i liquidi èβe l'espansione termica dei gas è la legge dei gas ideali

per la pressioneP, volumeV, numero di molin, costante del gasRe temperaturaT​.