Linijinio plėtimosi taikymas inžinerijoje

Geležinkeliams ir tiltams gali prireikti plėtimosi jungčių. Metaliniai karšto vandens šildymo vamzdžiai neturėtų būti naudojami ilgais, linijiniais ilgiais. Nuskaitydami elektroninius mikroskopus reikia nustatyti nedidelius temperatūros pokyčius, kad būtų pakeista jų padėtis, palyginti su jų židinio tašku. Skystuose termometruose naudojamas gyvsidabris arba alkoholis, todėl skysčiams plečiantis dėl temperatūros pokyčių, jie teka tik viena kryptimi. Kiekvienas iš šių pavyzdžių parodo, kaip medžiagos ilgėja išsiplėtusios.

TL; DR (per ilgai; Neskaiciau)

Kietosios medžiagos linijinį išsiplėtimą esant temperatūros pokyčiams galima išmatuoti naudojant Δℓ / ℓ = αΔT ir pritaikant kietųjų dalelių išsiplėtimą ir susitraukimą kasdieniame gyvenime. Įtampa, kurią patiria objektas, turi reikšmės inžinerijoje, kai objektai yra montuojami tarpusavyje.

Kai kieta medžiaga plečiasi reaguodama į temperatūros padidėjimą (šiluminį plėtimąsi), ji gali ilgėti procese, vadinamame linijiniu išsiplėtimu.

Kietosios medžiagos ilgiui ℓ galite išmatuoti ilgio Δℓ skirtumą dėl temperatūros pokyčio ΔT, kad nustatytumėte α, kietosios medžiagos šiluminio plėtimosi koeficientą pagal lygtį:

išplėtimo ir susitraukimo taikymo pavyzdys.

Tačiau šioje lygtyje daroma prielaida, kad slėgio pokytis yra nereikšmingas esant nedideliam trupmeniniam ilgio pokyčiui. Šis Δℓ / ℓ santykis taip pat žinomas kaip medžiagos padermė, žymima kaip ϵ_terminis. Įtempimas, medžiagos reakcija į stresą, gali ją deformuoti.

Norėdami nustatyti medžiagos išsiplėtimo greitį proporcingai tos medžiagos kiekiui, galite naudoti „Engineering Toolbox“ tiesinio išsiplėtimo koeficientus. Tai gali jums pasakyti, kiek medžiagos išsiplečia, atsižvelgiant į tai, kiek tos medžiagos turite, taip pat pagal tai, kiek temperatūros pokyčių taikote išplėtimo fizikoje taikymui.

Jei norite atidaryti sandarų indelį, galite jį paleisti po karštu vandeniu, kad dangtis šiek tiek išplėstų ir būtų lengviau atidaryti. Taip yra todėl, kad kaitinant medžiagas, tokias kaip kietosios medžiagos, skysčiai ar dujos, jų vidurkismolekulinė kinetinė energija kyla. Didėja vidutinė medžiagoje vibruojančių atomų energija. Tai padidina atomų ir molekulių atskyrimą, dėl kurio medžiaga plečiasi.

Nors tai gali sukelti fazių pokyčius, pavyzdžiui, ledo ištirpimą vandenyje, šiluminė plėtra paprastai yra tiesioginė temperatūros padidėjimo pasekmė. Tam apibūdinti naudojate tiesinį šiluminio plėtimosi koeficientą.

Medžiagos gali išsiplėsti arba susitraukti reaguodamos į šiuos cheminius pokyčius, dėl kurių didelio masto pasikeičia šie nedidelio masto cheminiai ir termodinaminiai procesai tuo pačiu būdu tiltai ir pastatai gali išsiplėsti esant ekstremalioms sąlygoms šilumos. Inžinerijoje galite išmatuoti kietosios medžiagos ilgio pokytį dėl šiluminio plėtimosi.

​Anizotropinė medžiagaS, kurie skiriasi savo esme skirtingomis kryptimis, priklausomai nuo krypties, gali būti skirtingi tiesiniai plėtimosi koeficientai. Tokiais atvejais galite naudoti tensorius, kad apibūdintumėte šiluminį plėtimąsi kaip tensorių - matricą, apibūdinančią šilumos plėtimosi koeficientą kiekviena kryptimi: x, y ir z.

​Polikristalinismedžiagos, kurios sudaro stiklą su beveik nulio mikroskopiniais šiluminio plėtimosi koeficientais, yra labai naudingos ugniai atsparioms medžiagoms, tokioms kaip krosnys ir deginimo įrenginiai. Tensoriai gali apibūdinti šiuos koeficientus, atsižvelgdami į skirtingas šių anizotropinių medžiagų linijinio plėtimosi kryptis.

Kordieritas, silikatinė medžiaga, kurios vienas teigiamas šiluminio plėtimosi koeficientas ir vienas neigiamas, reiškia, kad jo tensorius apibūdina tūrio pokytį iš esmės nulį. Tai daro ją idealia ugniai atsparių medžiagų medžiaga.

Norvegijos archeologas teigė, kad vikingai naudojo šiluminį plėtimąsikordieritaspadėti jiems plaukioti jūrose prieš šimtmečius. Islandijoje su dideliais, skaidriais vienkartiniais kordierito kristalais jie naudojo saulės akmenis, pagamintus iš kordierito, kuris galėjo poliarizuokite šviesą tam tikra kryptimi tik tam tikromis kristalo kryptimis, kad leistų jiems plaukti debesuotai, apsiniaukusias dienas. Kadangi kristalai išsiplės ilgiu net ir esant mažam šilumos plėtimosi koeficientui, jie parodė ryškią spalvą.

Inžinieriai, projektuodami tokias konstrukcijas kaip pastatai ir tiltai, turi atsižvelgti į tai, kaip objektai plečiasi ir traukiasi. Matuojant atstumus atliekant žemės tyrimus arba projektuojant liejimo formas ir konteinerius karštoms medžiagoms, jie privalo atsižvelgiama į tai, kiek žemė ar stiklas gali išsiplėsti, reaguodami į temperatūros pokyčius patirtis.

​Termostataipasikliaukite dviejų skirtingų plonų metalinių juostelių, išdėstytų viena ant kitos, bimetalinėmis juostomis, todėl dėl temperatūros pokyčių viena išsiplečia daug reikšmingiau nei kita. Dėl to juosta sulenkiama ir, kai ji sukimba, ji uždaro elektros grandinės kilpą.

Dėl to įsijungia oro kondicionierius ir, pakeitus termostato reikšmes, pasikeičia atstumas tarp juostos, kad uždarytų grandinę. Kai išorinė temperatūra pasiekia norimą vertę, metalas susitraukia atidarydamas grandinę ir sustabdydamas oro kondicionierių. Tai yra vienas iš daugelio plėtimosi ir susitraukimo pavyzdžių.

Iš anksto kaitinant metalinius komponentus nuo 150 ° C iki 300 ° C, jie išsiplečia, todėl juos galima įterpti į kitą skyrių - procesą, vadinamą indukcinio susitraukimo jungtimi. „UltraFlex Power Technologies“ metodai apėmė tefloninės izoliacijos indukcinį susitraukimą ant vielos, kaitinant nerūdijančio plieno vamzdį iki 350 ° C, naudojant indukcinę ritę.

Šiluminis išsiplėtimas gali būti naudojamas kietųjų medžiagų prisotinimui tarp dujų ir skysčių, kuriuos jis absorbuoja laikui bėgant. Galite nustatyti eksperimentą, kad pamatuotumėte išdžiovinto bloko ilgį prieš leidžiant ir sugeriant vandenį laikui bėgant. Ilgio pokytis gali suteikti šiluminį plėtimosi koeficientą. Tai praktiškai naudojama nustatant, kaip pastatai laikui bėgant plečiasi veikiami oro.

Linijiniai šiluminio plėtimosi koeficientai skiriasi nuo atvirkštinės tos medžiagos lydymosi temperatūros. Medžiagoms, kurių lydymosi temperatūra yra aukštesnė, linijiniai šiluminio plėtimosi koeficientai yra mažesni. Skaičiai svyruoja nuo maždaug 400 K sieros atveju iki maždaug 3 700 volframo.

Šilumos plėtimosi koeficientas taip pat skiriasi nuo pačios medžiagos temperatūros (ypač nuo to, ar buvo stiklėjimo temperatūra) medžiagos, bet kokių eksperimente dalyvaujančių priedų ir galimo kryžminio sujungimo tarp medžiaga.

​Amorfiniai polimerai, neturinčių kristalinių struktūrų, šilumos plėtimosi koeficientai paprastai būna mažesni nei puskristalinių. Tarp stiklo natrio kalcio silicio oksido stiklo arba sodos ir kalkių silikatinio stiklo koeficientas yra gana mažas 9, kai borosilikatinis stiklas, naudojamas stiklo daiktams gaminti, yra 4,5.

Kietųjų medžiagų, skysčių ir dujų šiluminis plėtimasis skiriasi. Kietosios medžiagos paprastai išlaiko savo formą, nebent jos varžo konteineris. Jie plečiasi, kai keičiasi jų plotas, palyginti su jų pradiniu plotu, procese, vadinamame arealo išplėtimu arba paviršinis išsiplėtimas, taip pat jų tūris keičiasi pagal tūrinį tūrį plėtimasis. Šie skirtingi matmenys leidžia matuoti kietųjų medžiagų išsiplėtimą įvairiomis formomis.

Skysčio išsiplėtimas yra labiau tikėtinas kaip talpyklos forma, todėl galite tai paaiškinti naudodami tūrinį išsiplėtimą. Kietųjų medžiagų tiesinis šiluminio plėtimosi koeficientas yraα, skysčių koeficientas yraβo šiluminis dujų išsiplėtimas yra idealus dujų įstatymas

dėl spaudimoP, tūrisV, apgamų skaičiusn, dujų konstantaRir temperatūraT​.