מסילות ברזל וגשרים עשויים להזדקק למפרקי הרחבה. אין להשתמש בצינורות חימום מים חמים באורכים ארוכים, ליניאריים. סריקת מיקרוסקופים אלקטרוניים צריכה לזהות שינויים זעירים בטמפרטורה כדי לשנות את מיקומם ביחס לנקודת המיקוד שלהם. מדחומים נוזליים משתמשים בכספית או אלכוהול, ולכן הם זורמים לכיוון אחד בלבד כאשר הנוזל מתרחב בגלל שינויי טמפרטורה. כל אחת מהדוגמאות הללו מדגימה כיצד חומרים מתרחבים לאורך החום.
TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)
התפשטות ליניארית של מוצק תחת שינוי טמפרטורה ניתנת למדידה באמצעות Δℓ / ℓ = αΔT ויש לה יישומים בדרכים שבהם המוצקים מתרחבים ומתכווצים בחיי היום יום. למתח שעובר האובייקט יש השלכות בהנדסה בעת התאמת חפצים זה לזה.
יישום הרחבה בפיזיקה
כאשר חומר מוצק מתרחב בתגובה לעליית הטמפרטורה (התפשטות תרמית), הוא יכול להגדיל את אורכו בתהליך המכונה התרחבות לינארית.
עבור מוצק באורך ℓ, ניתן למדוד את ההבדל באורך Δℓ עקב שינוי בטמפרטורה ΔT לקביעת α, מקדם ההתפשטות התרמית עבור המוצק על פי המשוואה:
\ frac {\ Delta l} {l} = \ alpha \ Delta T
לדוגמא יישום של התרחבות והתכווצות.
משוואה זו, לעומת זאת, מניחה ששינוי הלחץ זניח לשינוי אורך חלקי קטן. יחס זה של Δℓ / ℓ ידוע גם בשם זן חומר, המסומן כ- ϵ
תֶרמִי. זן, תגובת חומר למתח, עלול לגרום לעיוותו.אתה יכול להשתמש במקדמי ההרחבה הליניארית של ארגז הכלים ההנדסי כדי לקבוע את קצב התפשטות החומר ביחס לכמות החומר הזה. זה יכול להגיד לך כמה חומר מתרחב בהתבסס על כמה מאותו חומר יש לך, כמו גם כמה שינוי בטמפרטורה אתה מיישם ליישום הרחבה בפיזיקה.
יישומים של התפשטות תרמית של מוצקים בחיי היומיום
אם תרצו לפתוח צנצנת צמודה, תוכלו להריץ אותה מתחת למים חמים כדי להרחיב מעט את המכסה ולהקל על הפתיחה. הסיבה לכך היא שכאשר מחממים חומרים, כמו מוצקים, נוזלים או גזים, הממוצע שלהםאנרגיה קינטית מולקולרית עולה. האנרגיה הממוצעת של האטומים הרוטטים בתוך החומר עולה. זה מגדיל את ההפרדה בין אטומים ומולקולות שגורם לחומר להתרחב.
אמנם זה יכול לגרום לשינויי פאזה כמו נמס של קרח למים, אך ההתפשטות התרמית היא בדרך כלל תוצאה ישירה יותר של עליית הטמפרטורה. אתה משתמש במקדם התפשטות תרמית ליניארית כדי לתאר זאת.
התרחבות תרמית מהתרמודינמיקה
החומרים עשויים להתרחב או להתכווץ בתגובה לשינויים כימיים אלה המביאים לשינוי גודל בקנה מידה גדול מ- תהליכים כימיים ותרמודינמיים בקנה מידה קטן, באותה צורה, גשרים ומבנים עשויים להתרחב תחת קיצון חוֹם. בהנדסה ניתן למדוד את שינוי אורכו של חומר מוצק עקב התרחבות תרמית.
חומר אניסוטרופיs, כאלה שמשתנים במהותם בין כיוונים שונים, עשויים להיות מקדמי התפשטות ליניארית שונים בהתאם לכיוון. במקרים אלה, תוכלו להשתמש בטנזורים לתיאור ההתרחבות התרמית כטנסור, מטריצה המתארת את מקדם ההתרחבות התרמית לכל כיוון: x, y ו- z.
טנזורים בהרחבה
רב-גבישיחומרים המרכיבים זכוכית עם מקדמי התפשטות תרמית מיקרוסקופית כמעט אפסים שימושיים מאוד למחסנים כמו תנורים ומשרפות. טנזורים יכולים לתאר מקדמים אלה על ידי התחשבות בכיוונים שונים של התפשטות לינארית בחומרים האניסוטרופיים הללו.
קורדיירייט, חומר סיליקט בעל מקדם התרחבות תרמי חיובי אחד ואחד שלילי פירושו שהמתח שלו מתאר שינוי נפח של אפס למעשה. זה הופך אותו לחומר אידיאלי למחסנים.
יישום הרחבה והתכווצות
ארכיאולוג נורווגי תיאר כי הוויקינגים השתמשו בהרחבה התרמית שלקורדיטלעזור להם לנווט בים לפני מאות שנים. באיסלנד, עם גבישי יחיד גדולים ושקופים של קורדיט, הם השתמשו באבני שמש עשויות מקורדיט שיכולות לקטב את האור בכיוון מסוים רק בכיוונים מסוימים של הגביש כדי לאפשר להם לנווט על מעונן, ימים מעוננים. מכיוון שהגבישים יתרחבו לאורך אפילו עם מקדם התרחבות תרמי נמוך, הם הראו צבע עז.
מהנדסים חייבים לשקול כיצד חפצים מתרחבים ומתכווצים בעת תכנון מבנים כגון מבנים וגשרים. כאשר מודדים מרחקים לסקירת קרקעות או מעצבים תבניות ומיכלים לחומרים חמים, הם חייבים ספר כמה האדמה או הכוס עשויים להתרחב בתגובה לשינויים בטמפרטורה שהם ניסיון.
תרמוסטטיםלהסתמך על רצועות דו-מתכתיות של שתי רצועות דקות שונות של מתכות המונחות אחת על השנייה, כך שהאחת מתרחבת בצורה משמעותית הרבה יותר מהאחרת בגלל שינויים בטמפרטורה. זה גורם לרצועה להתכופף, וכאשר היא עושה זאת, היא סוגרת את הלולאה של מעגל חשמלי.
זה גורם למזגן להתחיל, ועל ידי שינוי ערכי התרמוסטט, המרחק בין הפס לסגירת המעגל משתנה. כאשר הטמפרטורה החיצונית מגיעה לערכה הרצוי, המתכת מתכווצת לפתיחת המעגל ולעצור את המזגן. זהו אחד משלל השימושים לדוגמא בהתרחבות והתכווצות.
טמפרטורות התפשטות מראש
כאשר מחממים רכיבי מתכת מראש בין 150 ° C ל -300 ° C, הם מתרחבים, כך שניתן להכניסם לתא אחר, תהליך המכונה התאמת כיווץ אינדוקציה. השיטות של UltraFlex Power Technologies כללו כיווץ אינדוקציה בהתאמת בידוד טפלון על חוט על ידי חימום צינור נירוסטה ל -350 מעלות צלזיוס באמצעות סליל אינדוקציה.
ניתן להשתמש בהתרחבות תרמית למדידת רוויה של מוצקים בין הגזים והנוזלים שהיא סופגת לאורך זמן. אתה יכול להגדיר ניסוי למדידת אורכו של גוש מיובש לפני ואחרי שהוא נותן לו לספוג מים לאורך זמן. שינוי האורך יכול לתת מקדם התפשטות תרמי. זה מקיים שימוש מעשי בקביעת האופן שבו בניינים מתרחבים לאורך זמן כאשר הם נחשפים לאוויר.
וריאציה של התפשטות תרמית בין חומרים
מקדמי התפשטות תרמית ליניארית משתנים כהיפוך מנקודת ההיתוך של אותו חומר. לחומרים עם נקודות התכה גבוהות יותר מקדמי התפשטות תרמית לינארית נמוכים יותר. המספרים נעים בין כ -400 K לגופרית לכ -3,700 לטונגסטן.
מקדם ההתרחבות התרמית משתנה גם לפי טמפרטורת החומר עצמו (במיוחד אם טמפרטורת מעבר הזכוכית הייתה מבנה הצורה של החומר, כל התוספים המעורבים בניסוי וקישור פוטנציאלי בין פולימרים של חומר.
פולימרים אמורפיים, אלה ללא מבנים גבישי, נוטים להיות מקדמי התפשטות תרמית נמוכים יותר מאשר אלה חצי גבישי. בין זכוכית, זכוכית תחמוצת הסידן מסידן סידן או זכוכית סיליקט סיד, יש מקדם נמוך למדי של 9 כאשר יש זכוכית בורוסיליקט, המשמשת לייצור חפצי זכוכית הוא 4.5.
התרחבות תרמית לפי מדינת החומר
התפשטות תרמית משתנה בין מוצקים, נוזלים וגזים. מוצקים בדרך כלל שומרים על צורתם אלא אם כן הם מוגבלים על ידי מיכל. הם מתרחבים כאשר האזור שלהם משתנה ביחס לאזור המקורי שלהם בתהליך שנקרא הרחבת שטח או התרחבות שטחית, כמו גם עוצמת הקול שלהם משתנה ביחס לנפח המקורי באמצעות נפח הַרחָבָה. מימדים שונים אלה מאפשרים לך למדוד התרחבות מוצקים בצורות רבות.
הרבה יותר סביר שהתפשטות נוזלים תקבל צורת המכולה, כך שתוכל להשתמש בהרחבה הנפחית כדי להסביר זאת. המקדם הליניארי של התפשטות תרמית למוצקים הואα, המקדם לנוזלים הואβוההתרחבות התרמית של הגזים היא חוק הגז האידיאלי
PV = nRT
ללחץפ, כרךו, מספר שומותנ, קבוע גזרוטמפרטורהט.