A Aplicação da Expansão Linear na Engenharia

Ferrovias e pontes podem precisar de juntas de dilatação. Tubos metálicos de aquecimento de água quente não devem ser usados ​​em comprimentos longos e lineares. Os microscópios eletrônicos de varredura precisam detectar mudanças mínimas na temperatura para mudar sua posição em relação ao seu ponto de foco. Os termômetros líquidos usam mercúrio ou álcool, de modo que fluem em apenas uma direção conforme o líquido se expande devido às mudanças de temperatura. Cada um desses exemplos demonstra como os materiais se expandem em comprimento sob o calor.

TL; DR (muito longo; Não li)

A expansão linear de um sólido sob uma mudança de temperatura pode ser medida usando Δℓ / ℓ = αΔT e tem aplicações nas formas como os sólidos se expandem e contraem na vida cotidiana. A tensão que o objeto sofre tem implicações na engenharia ao encaixar objetos entre si.

Quando o material sólido se expande em resposta a um aumento na temperatura (expansão térmica), ele pode aumentar em comprimento em um processo conhecido como expansão linear.

Para um sólido de comprimento ℓ, você pode medir a diferença no comprimento Δℓ devido a uma mudança na temperatura ΔT para determinar α, o coeficiente de expansão térmica para o sólido de acordo com a equação:

para um exemplo de aplicação de expansão e contração.

Esta equação, no entanto, assume que a mudança na pressão é insignificante para uma pequena mudança fracionária no comprimento. Esta razão de Δℓ / ℓ também é conhecida como deformação do material, denotada como ϵ_térmico. A deformação, a resposta de um material ao estresse, pode causar sua deformação.

Você pode usar os Coeficientes de Expansão Linear da Caixa de Ferramentas de Engenharia para determinar a taxa de expansão de um material em proporção à quantidade desse material. Ele pode dizer quanto um material se expande com base na quantidade desse material que você tem, bem como quanto da mudança de temperatura você aplica para uma aplicação de expansão na física.

Se você quiser abrir um pote apertado, pode colocá-lo em água quente para expandir ligeiramente a tampa e torná-la mais fácil de abrir. Isso porque, quando substâncias, como sólidos, líquidos ou gases, são aquecidas, sua médiaenergia cinética molecular sobe. A energia média dos átomos que vibram dentro do material aumenta. Isso aumenta a separação entre átomos e moléculas que faz com que o material se expanda.

Embora isso possa causar mudanças de fase, como derretimento do gelo em água, a expansão térmica é geralmente um resultado mais direto do aumento da temperatura. Você usa o coeficiente linear de expansão térmica para descrever isso.

Os materiais podem expandir ou contrair em resposta a essas mudanças químicas trazendo uma mudança em grande escala no tamanho de esses processos químicos e termodinâmicos de pequena escala, da mesma forma que pontes e edifícios podem se expandir sob condições extremas aquecer. Em engenharia, você pode medir a mudança no comprimento de uma substância sólida devido à expansão térmica.

​Material anisotrópicos, aqueles que variam em sua substância entre diferentes direções, podem ter diferentes coeficientes de expansão linear dependendo da direção. Nesses casos, você pode usar tensores para descrever a expansão térmica como um tensor, uma matriz que descreve o coeficiente de expansão térmica em cada direção: x, y e z.

​Policristalinoos materiais que compõem o vidro com coeficientes de expansão térmica microscópicos próximos a zero são muito úteis para refratários, como fornos e incineradores. Os tensores podem descrever esses coeficientes levando em consideração diferentes direções de expansão linear nesses materiais anisotrópicos.

Cordierita, um material de silicato que tem um coeficiente de expansão térmica positivo e outro negativo, significa que seu tensor descreve uma variação de volume de essencialmente zero. Isso o torna uma substância ideal para refratários.

Um arqueólogo norueguês teorizou que os vikings usaram a expansão térmica decordieritepara ajudá-los a navegar nos mares há séculos. Na Islândia, com grandes cristais únicos transparentes de cordierita, eles usaram pedras-do-sol feitas de cordierita que poderiam polarizar a luz em uma determinada direção apenas em certas orientações do cristal para deixá-los navegar no nublado, dias nublados. Como os cristais se expandiam em comprimento mesmo com um baixo coeficiente de expansão térmica, eles exibiam uma cor brilhante.

Os engenheiros devem considerar como os objetos se expandem e contraem ao projetar estruturas como edifícios e pontes. Ao medir distâncias para levantamentos de terra ou projetar moldes e recipientes para materiais quentes, eles devem conta o quanto a terra ou um vidro pode se expandir em resposta às mudanças na temperatura que eles experiência.

​Termostatosdependem de tiras bimetálicas de duas tiras finas diferentes de metais colocadas uma sobre a outra, de forma que uma se expande muito mais significativamente do que a outra devido às mudanças de temperatura. Isso faz com que a tira entorte e, quando isso acontece, fecha o circuito de um circuito elétrico.

Isso faz com que o ar condicionado ligue e, ao alterar os valores do termostato, a distância entre a faixa para fechar o circuito muda. Quando a temperatura externa atinge o valor desejado, o metal se contrai para abrir o circuito e desligar o ar condicionado. Este é um dos muitos exemplos de uso de expansão e contração.

Ao pré-aquecer componentes metálicos entre 150 ° C e 300 ° C, eles se expandem, para que possam ser inseridos em outro compartimento, um processo conhecido como encaixe por indução por contração. Os métodos de UltraFlex Power Technologies envolveram isolamento de Teflon de encaixe por indução por contração em um fio, aquecendo um tubo de aço inoxidável a 350 ° C usando uma bobina de indução.

A expansão térmica pode ser usada para medir a saturação de sólidos entre os gases e líquidos que absorve ao longo do tempo. Você pode configurar um experimento para medir o comprimento de um bloco seco antes e depois de deixá-lo absorver água ao longo do tempo. A mudança no comprimento pode fornecer o coeficiente térmico de expansão. Isso tem uso prático para determinar como os edifícios se expandem ao longo do tempo quando expostos ao ar.

Os coeficientes de expansão térmica linear variam como o inverso do ponto de fusão dessa substância. Materiais com pontos de fusão mais altos têm coeficientes de expansão térmica linear mais baixos. Os números variam de cerca de 400 K para o enxofre até cerca de 3.700 para o tungstênio.

O coeficiente de expansão térmica também varia de acordo com a temperatura do próprio material (particularmente se a temperatura de transição vítrea foi cruzado), a estrutura e a forma do material, quaisquer aditivos envolvidos no experimento e potencial reticulação entre os polímeros do substância.

​Polímeros amorfos, aqueles sem estruturas cristalinas, tendem a ter coeficientes de expansão térmica mais baixos do que os semicristalinos. Entre o vidro, o vidro de óxido de silício de cálcio e sódio ou o vidro de silicato de soda-cal, tem um coeficiente bastante baixo de 9, onde o vidro de borossilicato, usado para fazer objetos de vidro, é 4,5.

A expansão térmica varia entre sólidos, líquidos e gases. Os sólidos geralmente mantêm sua forma, a menos que sejam restringidos por um contêiner. Eles se expandem conforme sua área muda em relação à sua área original em um processo denominado expansão de área ou expansão superficial, bem como o seu volume variando em relação ao volume original através da volumetria expansão. Essas diferentes dimensões permitem medir a expansão de sólidos em muitas formas.

A expansão de líquido tem muito mais probabilidade de assumir a forma de um recipiente, então você pode usar a expansão volumétrica para explicar isso. O coeficiente linear de expansão térmica para sólidos éα, o coeficiente para líquidos éβe a expansão térmica dos gases é a lei dos gases ideal

para pressãoPvolumeV, número de molesn, constante de gásRe temperaturaT​.