De toepassing van lineaire expansie in engineering

Spoorwegen en bruggen hebben mogelijk dilatatievoegen nodig. Metalen verwarmingsbuizen voor warm water mogen niet in lange, lineaire lengtes worden gebruikt. Scanning elektronische microscopen moeten minieme veranderingen in temperatuur detecteren om hun positie ten opzichte van hun focuspunt te veranderen. Vloeistofthermometers gebruiken kwik of alcohol, zodat ze maar in één richting stromen als de vloeistof uitzet als gevolg van temperatuurveranderingen. Elk van deze voorbeelden laat zien hoe materialen in lengte uitzetten onder hitte.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

De lineaire uitzetting van een vaste stof onder een verandering in temperatuur kan worden gemeten met Δℓ/ℓ = αΔT en heeft toepassingen in de manier waarop vaste stoffen uitzetten en krimpen in het dagelijks leven. De belasting die het object ondergaat, heeft implicaties in de techniek bij het onder elkaar plaatsen van objecten.

Wanneer vast materiaal uitzet als reactie op een temperatuurstijging (thermische uitzetting), kan het in lengte toenemen in een proces dat bekend staat als lineaire uitzetting.

Voor een vaste stof met lengte ℓ, kunt u het verschil in lengte measure meten als gevolg van een verandering in temperatuur ΔT om α te bepalen, de thermische uitzettingscoëfficiënt voor de vaste stof volgens de vergelijking:

voor een voorbeeldtoepassing van uitzetting en krimp.

Deze vergelijking gaat er echter van uit dat de verandering in druk verwaarloosbaar is voor een kleine fractionele verandering in lengte. Deze verhouding van Δℓ/ℓ staat ook bekend als materiaalrek, aangeduid als ϵ_thermisch. Spanning, de reactie van een materiaal op stress, kan ervoor zorgen dat het vervormt.

U kunt de lineaire uitzettingscoëfficiënten van de Engineering Toolbox gebruiken om de uitzettingssnelheid van een materiaal te bepalen in verhouding tot de hoeveelheid van dat materiaal. Het kan je vertellen hoeveel een materiaal uitzet op basis van hoeveel van dat materiaal je hebt, evenals hoeveel temperatuurverandering je toepast voor een toepassing van uitzetting in de natuurkunde.

Als je een strakke pot wilt openen, kun je deze onder heet water laten lopen om het deksel iets uit te zetten en het openen gemakkelijker te maken. Dit komt omdat, wanneer stoffen, zoals vaste stoffen, vloeistoffen of gassen, worden verwarmd, hun gemiddeldemoleculaire kinetische energie stijgt. De gemiddelde energie van de atomen die in het materiaal trillen, neemt toe. Dit vergroot de scheiding tussen atomen en moleculen waardoor het materiaal uitzet.

Hoewel dit faseveranderingen kan veroorzaken, zoals het smelten van ijs tot water, is de thermische uitzetting over het algemeen een directer gevolg van de temperatuurstijging. Je gebruikt de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt om dit te beschrijven.

De materialen kunnen uitzetten of krimpen als reactie op deze chemische veranderingen, waardoor een grootschalige verandering in grootte ontstaat deze kleinschalige chemische en thermodynamische processen op ongeveer dezelfde manier waarop bruggen en gebouwen onder extreme omstandigheden kunnen uitzetten warmte. In de techniek kun je de verandering in de lengte van een vaste stof door thermische uitzetting meten.

​Anisotroop materiaals, die in substantie variëren tussen verschillende richtingen, kunnen verschillende lineaire uitzettingscoëfficiënten hebben, afhankelijk van de richting. In deze gevallen kun je tensoren gebruiken om de thermische uitzetting te beschrijven als een tensor, een matrix die de thermische uitzettingscoëfficiënt in elke richting beschrijft: x, y en z.

​Polykristallijnmaterialen waaruit glas bestaat met microscopisch kleine thermische uitzettingscoëfficiënten van bijna nul, zijn zeer nuttig voor vuurvaste materialen zoals ovens en verbrandingsovens. Tensoren kunnen deze coëfficiënten beschrijven door rekening te houden met verschillende richtingen van lineaire uitzetting in deze anisotrope materialen.

Cordieriet, een silicaatmateriaal met één positieve thermische uitzettingscoëfficiënt en één negatieve, betekent dat de tensor ervan een volumeverandering van in wezen nul beschrijft. Dat maakt het een ideale stof voor vuurvaste materialen.

Een Noorse archeoloog theoretiseerde dat Vikingen de thermische uitzetting vancordierietom hen eeuwen geleden te helpen de zeeën te bevaren. In IJsland, met grote, transparante eenkristallen van cordieriet, gebruikten ze zonnestenen gemaakt van cordieriet die konden polariseer het licht alleen in een bepaalde richting in een bepaalde richting van het kristal om ze te laten navigeren op bewolkt, bewolkte dagen. Omdat de kristallen zelfs met een lage thermische uitzettingscoëfficiënt in lengte zouden uitzetten, vertoonden ze een heldere kleur.

Ingenieurs moeten rekening houden met hoe objecten uitzetten en krimpen bij het ontwerpen van constructies zoals gebouwen en bruggen. Bij het meten van afstanden voor landmetingen of het ontwerpen van mallen en containers voor hete materialen, moeten ze: rekening houden met hoeveel de aarde of een glas kan uitzetten als reactie op de veranderingen in temperatuur die ze ervaring.

​Thermostatenvertrouwen op bimetalen stroken van twee verschillende dunne stroken metaal die op elkaar zijn geplaatst, zodat de ene veel sterker uitzet dan de andere als gevolg van temperatuurveranderingen. Dit zorgt ervoor dat de strip buigt, en als dat het geval is, sluit het de lus van een elektrisch circuit.

Dit zorgt ervoor dat de airconditioner start en door de waarden van de thermostaat te wijzigen, verandert de afstand tussen de strip om het circuit te sluiten. Wanneer de buitentemperatuur de gewenste waarde bereikt, trekt het metaal samen om het circuit te openen en de airconditioner te stoppen. Dit is een van de vele voorbeelden van toepassingen van uitzetting en samentrekking.

Bij het voorverwarmen van metalen onderdelen tussen 150°C en 300°C zetten ze uit, zodat ze in een ander compartiment kunnen worden geplaatst, een proces dat bekend staat als inductiekrimpfitting. De methoden van UltraFlex Power Technologies omvatten het inductief krimpen van Teflon-isolatie op een draad door een roestvrijstalen buis te verwarmen tot 350°C met behulp van een inductiespoel.

Thermische uitzetting kan worden gebruikt om de verzadiging van vaste stoffen tussen de gassen en vloeistoffen die het in de loop van de tijd absorbeert, te meten. Je kunt een experiment opzetten om de lengte van een gedroogd blok te meten voor en nadat je het in de loop van de tijd water hebt laten opnemen. De verandering in lengte kan de thermische uitzettingscoëfficiënt geven. Dit is praktisch bruikbaar om te bepalen hoe gebouwen in de loop van de tijd uitzetten bij blootstelling aan lucht.

De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënten variëren als een inverse van het smeltpunt van die stof. Materialen met hogere smeltpunten hebben lagere lineaire thermische uitzettingscoëfficiënten. De getallen variëren van ongeveer 400 K voor zwavel tot ongeveer 3.700 voor wolfraam.

De thermische uitzettingscoëfficiënt varieert ook door de temperatuur van het materiaal zelf (met name of de glasovergangstemperatuur is geweest) gekruist), de structuur en vorm van het materiaal, eventuele additieven die betrokken zijn bij het experiment en mogelijke verknoping tussen de polymeren van de stof.

​Amorfe polymeren, degenen zonder kristallijne structuren, hebben de neiging om lagere thermische uitzettingscoëfficiënten te hebben dan semikristallijne. Onder glas, natriumcalciumsiliciumoxideglas of natronkalksilicaatglas, heeft een vrij lage coëfficiënt van 9, waar borosilicaatglas, gebruikt om glazen voorwerpen te maken, 4,5 is.

Thermische uitzetting varieert tussen vaste stoffen, vloeistoffen en gassen. Vaste stoffen behouden over het algemeen hun vorm, tenzij ze worden beperkt door een container. Ze breiden uit als hun gebied verandert ten opzichte van hun oorspronkelijke gebied in een proces dat gebiedsuitbreiding wordt genoemd of oppervlakkige expansie, evenals hun volumeverandering ten opzichte van het oorspronkelijke volume door volumetrisch uitbreiding. Met deze verschillende afmetingen kunt u de uitzetting van vaste stoffen in vele vormen meten.

Vloeistofuitzetting is veel waarschijnlijker in de vorm van de container, dus u kunt de volumetrische uitzetting gebruiken om dit uit te leggen. De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt voor vaste stoffen isα, de coëfficiënt voor vloeistoffen isβen de thermische uitzetting van gassen is de ideale gaswet

voor drukP, volumeV, aantal molnee, gasconstanteRen temperatuurT​.