Lineārās paplašināšanas pielietojums inženierzinātnēs

Dzelzceļiem un tiltiem var būt nepieciešami izplešanās savienojumi. Metāla karstā ūdens sildīšanas caurules nedrīkst izmantot garos, lineāros garumos. Skenējošiem elektroniskajiem mikroskopiem ir jānosaka nelielas temperatūras izmaiņas, lai mainītu to atrašanās vietu attiecībā pret fokusa punktu. Šķidrie termometri izmanto dzīvsudrabu vai spirtu, tāpēc šķidruma izplešanās dēļ temperatūras izmaiņu dēļ tie plūst tikai vienā virzienā. Katrs no šiem piemēriem parāda, kā materiāli garumā izplešas.

TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)

Cietvielas lineāro izplešanos temperatūras izmaiņu laikā var izmērīt, izmantojot Δℓ / ℓ = αΔT, un to var izmantot cieto vielu izplešanās un saraušanās veidā ikdienas dzīvē. Slodze, kurai tiek pakļauts objekts, ietekmē inženierzinātnes, piemērojot objektus viens otram.

Kad cietais materiāls izplešas, reaģējot uz temperatūras paaugstināšanos (termisko izplešanos), tas var palielināties garumā procesā, kas pazīstams kā lineāra izplešanās.

Cietai vielai ar garumu ℓ var izmērīt garuma starpību Δℓ temperatūras izmaiņu ΔT dēļ, lai noteiktu α, cietās vielas termiskās izplešanās koeficientu saskaņā ar vienādojumu:

paplašināšanas un saraušanās piemēru.

Šis vienādojums tomēr pieņem, ka nelielas daļējas garuma izmaiņas spiediena izmaiņas ir nenozīmīgas. Šī Δℓ / ℓ attiecība ir pazīstama arī kā materiāla celms, kas apzīmēts kā ϵ_termiskā. Celms, materiāla reakcija uz stresu, var izraisīt tā deformāciju.

Lai noteiktu materiāla izplešanās ātrumu proporcionāli materiāla daudzumam, varat izmantot inženierijas rīkkopas lineārās izplešanās koeficientus. Tas var pateikt, cik daudz materiāls izplešas, ņemot vērā to, cik daudz šī materiāla jums ir, kā arī to, cik lielas temperatūras izmaiņas jūs izmantojat fizikas paplašināšanas lietojumam.

Ja vēlaties atvērt stingru burku, varat to palaist zem karsta ūdens, lai vāku nedaudz paplašinātu un atvieglotu atvēršanu. Tas ir tāpēc, ka, sildot vielas, piemēram, cietās vielas, šķidrumus vai gāzes, to vidējā vērtībamolekulārā kinētiskā enerģija paaugstinās. Materiālā vibrējošo atomu vidējā enerģija palielinās. Tas palielina atomu un molekulu atdalīšanu, kas liek materiālam paplašināties.

Lai gan tas var izraisīt fāzes izmaiņas, piemēram, ledus kušana ūdenī, termiskā izplešanās parasti ir tiešāka temperatūras paaugstināšanās rezultāts. Lai to aprakstītu, izmantojat lineāro siltuma izplešanās koeficientu.

Materiāli var paplašināties vai sarauties, reaģējot uz šīm ķīmiskajām izmaiņām, izraisot liela mēroga izmēru izmaiņas no šie maza mēroga ķīmiskie un termodinamiskie procesi līdzīgi kā tilti un ēkas var paplašināties ekstremālos apstākļos karstums. Inženierzinātnēs jūs varat izmērīt cietās vielas garuma izmaiņas termiskās izplešanās dēļ.

​Anizotropais materiālss, kas pēc būtības atšķiras dažādos virzienos, atkarībā no virziena var būt atšķirīgi lineāri izplešanās koeficienti. Šādos gadījumos jūs varat izmantot tenzorus, lai aprakstītu termisko izplešanos kā tenoru - matricu, kas apraksta siltuma izplešanās koeficientu katrā virzienā: x, y un z.

​Polikristālisksmateriāli, kas veido stiklu ar gandrīz nulles mikroskopiskiem siltuma izplešanās koeficientiem, ir ļoti noderīgi ugunsizturīgajiem materiāliem, piemēram, krāsnīm un dedzināšanas krāsnīm. Tensori var aprakstīt šos koeficientus, ņemot vērā dažādus lineāras izplešanās virzienus šajos anizotropajos materiālos.

Kordierīts, silikāta materiāls, kuram ir viens pozitīvs siltuma izplešanās koeficients un viens negatīvs, nozīmē, ka tā tenzors apraksta tilpuma izmaiņas būtībā nulle. Tas padara to par ideālu vielu ugunsizturīgiem materiāliem.

Norvēģu arheologs izvirzīja teoriju, ka vikingi izmantojakordierītslai palīdzētu viņiem pirms vairākiem gadsimtiem orientēties jūrās. Islandē ar lieliem, caurspīdīgiem kordierīta monokristāliem viņi izmantoja saules akmeņus, kas izgatavoti no kordierīta, kas to varēja polarizējiet gaismu noteiktā virzienā tikai noteiktās kristāla orientācijās, lai ļautu viņiem pārvietoties mākoņainā gaismā, apmākušās dienas. Tā kā kristāli paplašināsies garumā pat ar zemu siltuma izplešanās koeficientu, tie parādīja spilgtu krāsu.

Projektējot tādas konstrukcijas kā ēkas un tiltus, inženieriem jāņem vērā objektu paplašināšanās un saraušanās. Mērot attālumus zemes mērījumiem vai projektējot veidnes un konteinerus karstiem materiāliem, tiem tas jādara ņemiet vērā, cik zeme vai glāze var izplesties, reaģējot uz temperatūras izmaiņām pieredze.

​Termostatipaļaujieties uz divu dažādu plānu metālu sloksņu bimetāla sloksnēm, kas novietotas viena uz otras, tāpēc temperatūras izmaiņu dēļ viena izplešas daudz nozīmīgāk nekā otra. Tas izraisa sloksnes saliekšanos, un, kad tas notiek, tas aizver elektriskās ķēdes cilpu.

Tas izraisa gaisa kondicionētāja palaišanu, un, mainot termostata vērtības, mainās attālums starp sloksni, lai slēgtu ķēdi. Kad ārējā temperatūra sasniedz vēlamo vērtību, metāls nolemj atvērt ķēdi un apturēt gaisa kondicionieri. Šis ir viens no daudzajiem paplašināšanās un saraušanās izmantošanas piemēriem.

Iepriekš sildot metāla komponentus no 150 ° C līdz 300 ° C, tie izplešas, tāpēc tos var ievietot citā nodalījumā, procesu, kas pazīstams kā indukcijas saraušanās savienojums. UltraFlex Power Technologies metodes ir saistītas ar indukcijas saraušanos, teflona izolāciju piestiprinot pie stieples, sildot nerūsējošā tērauda cauruli līdz 350 ° C, izmantojot indukcijas spoli.

Termisko izplešanos var izmantot, lai noteiktu cieto vielu piesātinājumu starp gāzēm un šķidrumiem, kurus tā absorbē laika gaitā. Jūs varat izveidot eksperimentu, lai izmērītu žāvēta bloka garumu pirms un pēc tam, kad tam laika gaitā ļautu absorbēt ūdeni. Garuma maiņa var dot termisko izplešanās koeficientu. Tas praktiski tiek izmantots, lai noteiktu, kā ēkas laika gaitā paplašinās, pakļaujoties gaisam.

Lineārie termiskās izplešanās koeficienti mainās kā apgriezti attiecīgās vielas kušanas temperatūra. Materiāliem ar augstākām kušanas temperatūrām ir zemāki lineārās siltuma izplešanās koeficienti. Skaitļi svārstās no aptuveni 400 K sēram līdz aptuveni 3700 volframam.

Termiskās izplešanās koeficients mainās arī atkarībā no paša materiāla temperatūras (it īpaši, vai ir bijusi stikla pārejas temperatūra šķērsots), materiāla struktūra un forma, visas eksperimentā iesaistītās piedevas un iespējamā šķērssaistīšana starp vielu.

​Amorfie polimēri, bez kristāliskām struktūrām, parasti ir zemāki siltuma izplešanās koeficienti nekā puskristāliskiem. Starp stiklu nātrija kalcija silīcija oksīda stiklam vai sodas-kaļķa silikāta stiklam ir diezgan zems koeficients 9, kur borosilikāta stikls, ko izmanto stikla priekšmetu izgatavošanai, ir 4,5.

Termiskā izplešanās mainās starp cietajām vielām, šķidrumiem un gāzēm. Cietie materiāli parasti saglabā savu formu, ja vien tos neierobežo konteiners. Viņi paplašinās, mainoties to laukumam attiecībā pret sākotnējo laukumu procesā, ko sauc par laukuma paplašināšanu vai virspusēja izplešanās, kā arī to tilpuma maiņa attiecībā pret sākotnējo tilpumu caur tilpumu paplašināšanās. Šīs dažādās dimensijas ļauj izmērīt cieto vielu izplešanos dažādās formās.

Šķidruma izplešanās, visticamāk, notiks konteinera formā, tāpēc, lai to izskaidrotu, varat izmantot tilpuma izplešanos. Cietvielu siltuma izplešanās lineārais koeficients irα, šķidrumu koeficients irβun gāzu termiskā izplešanās ir ideāls gāzes likums

par spiedienuP, apjomsV, molu skaitsn, gāzes konstanteRun temperatūraT​.