Anvendelsen av lineær utvidelse i ingeniørfag

Jernbaner og broer kan trenge ekspansjonsfuger. Varmeledningsrør av metall bør ikke brukes i lange, lineære lengder. Skannende elektroniske mikroskoper må oppdage små endringer i temperaturen for å endre posisjonen i forhold til fokuspunktet. Flytende termometre bruker kvikksølv eller alkohol, så de flyter bare i en retning når væsken utvides på grunn av temperaturendringer. Hvert av disse eksemplene viser hvordan materialer utvides i lengde under varme.

TL; DR (for lang; Leste ikke)

Den lineære utvidelsen av et fast stoff under en temperaturendring kan måles ved hjelp av Δℓ / ℓ = αΔT og har anvendelser på måtene faste stoffer utvider seg og trekker sammen i hverdagen. Den belastningen som gjenstanden gjennomgår har implikasjoner i konstruksjonen når de monterer gjenstander hverandre.

Når fast materiale ekspanderer som svar på en økning i temperatur (termisk ekspansjon), kan det øke i lengde i en prosess kjent som lineær ekspansjon.

For et fast stoff med lengde ℓ, kan du måle forskjellen i lengde Δℓ på grunn av en endring i temperaturen AT for å bestemme α, koeffisienten for termisk utvidelse for det faste stoffet i henhold til ligningen:

for et eksempel på anvendelse av utvidelse og sammentrekning.

Denne ligningen antar imidlertid at trykkendringen er ubetydelig for en liten brøkdel i lengdeendring. Dette forholdet Δℓ / ℓ er også kjent som materialstamme, betegnet som ϵ_termisk. Stamme, materialets respons på stress, kan føre til at det deformeres.

Du kan bruke Engineering Toolbox's Coefficients of Linear Expansion for å bestemme utvidelseshastigheten til et materiale i forhold til mengden av det materialet. Den kan fortelle deg hvor mye et materiale utvides basert på hvor mye av det materialet du har, samt hvor mye av en temperaturendring du bruker for en anvendelse av utvidelse i fysikk.

Hvis du vil åpne en tett krukke, kan du kjøre den under varmt vann for å utvide lokket litt og gjøre det lettere å åpne. Dette er fordi når stoffer, som faste stoffer, væsker eller gasser, blir oppvarmet, er deres gjennomsnittmolekylær kinetisk energi stiger. Gjennomsnittlig energi til atomene som vibrerer i materialet øker. Dette øker skillet mellom atomer og molekyler som får materialet til å utvide seg.

Selv om dette kan forårsake faseendringer som is som smelter til vann, er den termiske ekspansjonen generelt et mer direkte resultat av temperaturøkningen. Du bruker den lineære termiske ekspansjonskoeffisienten for å beskrive dette.

Materialene kan utvide seg eller trekke seg sammen som svar på disse kjemiske endringene og medføre en storstilt endring i størrelse fra disse småskala kjemiske og termodynamiske prosessene på omtrent samme måte som broer og bygninger kan utvides under ekstreme forhold varme. I ingeniørfag kan du måle endringen i lengden på et fast stoff på grunn av termisk ekspansjon.

​Anisotropisk materiales, de som varierer i substans mellom forskjellige retninger, kan ha forskjellige lineære ekspansjonskoeffisienter avhengig av retning. I disse tilfellene kan du bruke tensorer for å beskrive den termiske ekspansjonen som en tensor, en matrise som beskriver den termiske ekspansjonskoeffisienten i hver retning: x, y og z.

​Polykrystallinskmaterialer som utgjør glass med nær null mikroskopiske termiske ekspansjonskoeffisienter, er veldig nyttige for ildfaste materialer som ovner og forbrenningsovner. Tensorer kan beskrive disse koeffisientene ved å gjøre rede for forskjellige retninger for lineær ekspansjon i disse anisotrope materialene.

Cordierite, et silikatmateriell som har en positiv termisk ekspansjonskoeffisient og en negativ, betyr at tensoren beskriver en volumendring på i det vesentlige null. Det gjør det til et ideelt stoff for ildfaste stoffer.

En norsk arkeolog teoretiserte at vikinger brukte termisk utvidelse avcordieritefor å hjelpe dem å navigere i havene for århundrer siden. På Island, med store, gjennomsiktige enkeltkrystaller av kordieritt, brukte de solstein laget av kordieritt som kunne polariser lyset i en bestemt retning bare i en viss retning av krystall for å la dem navigere på overskyet, overskyet dager. Siden krystallene ville utvide seg selv med en lav termisk ekspansjonskoeffisient, viste de en lys farge.

Ingeniører må vurdere hvordan gjenstander utvides og trekkes sammen når de designer konstruksjoner som bygninger og broer. Ved måling av avstander for landmålinger eller utforming av former og beholdere for varme materialer, må de redegjør for hvor mye jorden eller et glass kan ekspandere som svar på endringene i temperaturen de erfaring.

​Termostaterstole på bimetallstrimler av to forskjellige tynne strimler av metaller plassert på hverandre, slik at den ene utvides mye mer betydelig enn den andre på grunn av temperaturendringer. Dette får stripen til å bøye seg, og når den gjør det, lukker den løkken til en elektrisk krets.

Dette får klimaanlegget til å starte, og ved å endre termostatens verdier endres avstanden mellom stripen for å lukke kretsen. Når den eksterne temperaturen når ønsket verdi, trekker metallet seg sammen for å åpne kretsen og stoppe klimaanlegget. Dette er en av mange eksempler på bruk av utvidelse og sammentrekning.

Ved forvarming av metallkomponenter mellom 150 ° C og 300 ° C utvides de, slik at de kan settes inn i et annet rom, en prosess kjent som induksjonskrympefitting. Metodene til UltraFlex Power Technologies har involvert induksjonskrympende montering av Teflon-isolasjon på en ledning ved å varme opp et rustfritt stålrør til 350 ° C ved hjelp av en induksjonsspole.

Termisk ekspansjon kan brukes til å måle metning av faste stoffer mellom gassene og væskene den absorberer over tid. Du kan sette opp et eksperiment for å måle lengden på en tørket blokk før og etter at den har absorbert vann over tid. Endringen i lengde kan gi den termiske ekspansjonskoeffisienten. Dette har praktisk bruk for å bestemme hvordan bygninger ekspanderer over tid når de utsettes for luft.

De lineære termiske ekspansjonskoeffisientene varierer som omvendt av stoffets smeltepunkt. Materialer med høyere smeltepunkter har lavere lineære termiske ekspansjonskoeffisienter. Tallene varierer fra ca 400 K for svovel til ca 3700 for wolfram.

Koeffisienten for termisk ekspansjon varierer også av temperaturen i selve materialet (spesielt om glassovergangstemperaturen har vært krysset), materialets struktur og form, eventuelle tilsetningsstoffer som er involvert i eksperimentet og potensiell tverrbinding mellom polymerene i substans.

​Amorfe polymerer, de uten krystallinske strukturer, har en tendens til å ha lavere varmeekspansjonskoeffisienter enn halvkrystallinske. Blant glass har natriumkalsiumsilisiumoksydglass eller soda-kalksilikatglass en ganske lav koeffisient på 9, hvor har borosilikatglass, brukt til å lage glassgjenstander, 4,5.

Termisk ekspansjon varierer mellom faste stoffer, væsker og gasser. Tørrstoffer holder vanligvis formen med mindre de er begrenset av en container. De utvides når området endres med hensyn til det opprinnelige området i en prosess som kalles areal-utvidelse eller overfladisk utvidelse, så vel som volumet endres med hensyn til opprinnelig volum gjennom volumetrisk ekspansjon. Disse forskjellige dimensjonene lar deg måle utvidelse av faste stoffer i mange former.

Det er mye mer sannsynlig at væskeutvidelse har form av beholderen, så du kan bruke volumetrisk utvidelse til å forklare dette. Den lineære koeffisienten for termisk ekspansjon for faste stoffer erα, koeffisienten for væsker erβog den termiske utvidelsen av gasser er den ideelle gassloven

for pressP, volumVantall moln, gasskonstantRog temperaturT​.