Zastosowanie ekspansji liniowej w inżynierii

Koleje i mosty mogą wymagać dylatacji. Nie należy stosować metalowych rur grzewczych ciepłej wody na długich odcinkach liniowych. Skaningowe mikroskopy elektroniczne muszą wykrywać drobne zmiany temperatury, aby zmienić swoje położenie względem punktu ostrości. Termometry cieczowe wykorzystują rtęć lub alkohol, więc przepływają tylko w jednym kierunku, gdy ciecz rozszerza się pod wpływem zmian temperatury. Każdy z tych przykładów pokazuje, jak materiały rozszerzają się pod wpływem ciepła.

TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)

Rozszerzalność liniowa ciała stałego pod wpływem zmiany temperatury może być mierzona za pomocą Δℓ/ℓ = αΔT i ma zastosowanie w sposobach rozszerzania się i kurczenia ciał stałych w życiu codziennym. Obciążenie, któremu podlega obiekt, ma wpływ na inżynierię podczas dopasowywania obiektów między sobą.

Gdy materiał stały rozszerza się w odpowiedzi na wzrost temperatury (rozszerzalność cieplna), jego długość może zwiększać się w procesie znanym jako rozszerzalność liniowa.

W przypadku bryły o długości ℓ można zmierzyć różnicę długości Δℓ spowodowaną zmianą temperatury ΔT w celu wyznaczenia α, współczynnika rozszerzalności cieplnej bryły zgodnie z równaniem:

na przykład zastosowanie rozszerzania i kurczenia.

Równanie to zakłada jednak, że zmiana ciśnienia jest nieistotna dla małej ułamkowej zmiany długości. Ten stosunek Δℓ/ℓ jest również znany jako odkształcenie materiału, oznaczane jako ϵ_termiczny. Odkształcenie, reakcja materiału na naprężenie, może spowodować jego odkształcenie.

Możesz użyć współczynników rozszerzalności liniowej programu Engineering Toolbox, aby określić szybkość rozszerzania się materiału proporcjonalnie do ilości tego materiału. Może powiedzieć, jak bardzo materiał się rozszerza w oparciu o jego ilość, a także o to, jak dużą zmianę temperatury zastosujesz do zastosowania rozszerzania w fizyce.

Jeśli chcesz otworzyć ciasny słoik, możesz przepuścić go pod gorącą wodą, aby lekko rozszerzyć pokrywkę i ułatwić otwieranie. Dzieje się tak, ponieważ gdy substancje, takie jak ciała stałe, ciecze lub gazy, są podgrzewane, ich średniawzrasta molekularna energia kinetyczna. Średnia energia atomów drgających w materiale wzrasta. Zwiększa to separację między atomami i cząsteczkami, co powoduje rozszerzanie się materiału.

Chociaż może to powodować zmiany fazowe, takie jak topnienie lodu do wody, rozszerzalność cieplna jest na ogół bardziej bezpośrednim wynikiem wzrostu temperatury. Do opisu tego używa się liniowego współczynnika rozszerzalności cieplnej.

Materiały mogą rozszerzać się lub kurczyć w odpowiedzi na te zmiany chemiczne, powodując zmianę rozmiaru na dużą skalę od te procesy chemiczne i termodynamiczne na małą skalę w podobny sposób mogą rozszerzać się w ekstremalnych warunkach mosty i budynki ciepło. W inżynierii można zmierzyć zmianę długości substancji stałej na skutek rozszerzalności cieplnej.

​Materiał anizotropowys, te, które różnią się swoją substancją w różnych kierunkach, mogą mieć różne współczynniki rozszerzalności liniowej w zależności od kierunku. W takich przypadkach możesz użyć tensorów, aby opisać rozszerzalność cieplną jako tensor, macierz, która opisuje współczynnik rozszerzalności cieplnej w każdym kierunku: x, y i z.

​PolikrystalicznyMateriały, z których składa się szkło o mikroskopijnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej bliskie zeru, są bardzo przydatne w przypadku materiałów ogniotrwałych, takich jak piece i spalarnie. Tensory mogą opisywać te współczynniki poprzez uwzględnienie różnych kierunków rozszerzalności liniowej tych materiałów anizotropowych.

Kordieryt, materiał krzemianowy, który ma jeden dodatni współczynnik rozszerzalności cieplnej, a jeden ujemny oznacza, że ​​jego tensor opisuje zasadniczo zerową zmianę objętości. To sprawia, że ​​jest idealną substancją do materiałów ogniotrwałych.

Norweski archeolog wysnuł teorię, że Wikingowie wykorzystywali rozszerzalność cieplnąkordierytaby pomóc im poruszać się po morzach wieki temu. W Islandii, z dużymi, przezroczystymi monokryształami kordierytu, użyli kamieni słonecznych wykonanych z kordierytu, które mogły polaryzować światło w określonym kierunku tylko w określonych orientacjach kryształu, aby umożliwić poruszanie się po zachmurzeniu, pochmurne dni. Ponieważ kryształy wydłużały się nawet przy niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej, wykazywały jasny kolor.

Inżynierowie muszą zastanowić się, jak obiekty rozszerzają się i kurczą podczas projektowania konstrukcji, takich jak budynki i mosty. Mierząc odległości do pomiarów terenu lub projektując formy i pojemniki na gorące materiały, muszą: brać pod uwagę, jak bardzo ziemia lub szkło mogą się rozszerzać w odpowiedzi na zmiany temperatury, które one powodują doświadczenie.

​Termostatypolegają na bimetalicznych paskach dwóch różnych cienkich pasków metali ułożonych jeden na drugim, dzięki czemu jeden rozszerza się znacznie bardziej niż drugi pod wpływem zmian temperatury. Powoduje to wygięcie paska, a gdy to nastąpi, zamyka pętlę obwodu elektrycznego.

Powoduje to uruchomienie klimatyzatora, a poprzez zmianę wartości termostatu zmienia się odległość pomiędzy listwą zamykającą obwód. Gdy temperatura zewnętrzna osiągnie pożądaną wartość, metal kurczy się, otwierając obwód i wyłączając klimatyzator. Jest to jeden z wielu przykładowych zastosowań rozszerzania i kurczenia.

Podczas wstępnego podgrzewania elementów metalowych do temperatury od 150°C do 300°C rozszerzają się one, dzięki czemu można je włożyć do innej komory w procesie znanym jako indukcyjne pasowanie obkurczające. Metody UltraFlex Power Technologies obejmowały indukcyjne obkurczanie izolacji teflonowej na przewodzie poprzez podgrzewanie rury ze stali nierdzewnej do 350°C za pomocą cewki indukcyjnej.

Rozszerzalność cieplną można wykorzystać do pomiaru nasycenia ciał stałych wśród gazów i cieczy, które pochłania w czasie. Możesz przygotować eksperyment, aby zmierzyć długość wysuszonego bloku przed i po wchłonięciu przez niego wody w miarę upływu czasu. Zmiana długości może dać współczynnik rozszerzalności cieplnej. Ma to praktyczne zastosowanie przy określaniu, jak budynki rozszerzają się w czasie pod wpływem powietrza.

Współczynniki liniowej rozszerzalności cieplnej zmieniają się jako odwrotność temperatury topnienia tej substancji. Materiały o wyższych temperaturach topnienia mają niższe współczynniki liniowej rozszerzalności cieplnej. Liczby wahają się od około 400 K dla siarki do około 3700 dla wolframu.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej zmienia się również w zależności od temperatury samego materiału (w szczególności, czy temperatura zeszklenia była skrzyżowane), strukturę i kształt materiału, wszelkie dodatki biorące udział w eksperymencie oraz potencjalne sieciowanie pomiędzy polimerami substancja.

​Polimery amorficzne, te bez struktur krystalicznych, mają zwykle niższe współczynniki rozszerzalności cieplnej niż semikrystaliczne. Wśród szkła dość niski współczynnik 9 ma szkło sodowo-wapniowo-krzemowe lub szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe, gdzie ma szkło borokrzemianowe, używane do wyrobu przedmiotów szklanych, wynoszące 4,5.

Rozszerzalność cieplna waha się między ciałami stałymi, cieczami i gazami. Ciała stałe na ogół zachowują swój kształt, chyba że są ograniczone pojemnikiem. Rozszerzają się, gdy ich obszar zmienia się w stosunku do pierwotnego obszaru w procesie zwanym ekspansją obszarową lub ekspansja powierzchniowa, a także zmiana ich objętości względem pierwotnej objętości poprzez wolumetryczną ekspansja. Te różne wymiary pozwalają mierzyć ekspansję brył w wielu formach.

Bardziej prawdopodobne jest, że ekspansja cieczy przyjmie formę pojemnika, więc możesz użyć ekspansji objętościowej, aby to wyjaśnić. Liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej ciał stałych wynosiα, współczynnik dla cieczy wynosiβa rozszerzalność cieplna gazów jest równaniem gazu doskonałego

na ciśnienieP, TomV, liczba molinie, stała gazowaRi temperaturaT​.