Aplicarea expansiunii liniare în inginerie

Căile ferate și podurile pot necesita îmbinări de dilatare. Țevile metalice de încălzire a apei calde nu trebuie utilizate pe lungimi lungi și liniare. Microscoapele electronice de scanare trebuie să detecteze modificări minore de temperatură pentru a-și schimba poziția în raport cu punctul lor de focalizare. Termometrele pentru lichide folosesc mercur sau alcool, deci curg într-o singură direcție, pe măsură ce lichidul se extinde datorită schimbărilor de temperatură. Fiecare dintre aceste exemple demonstrează modul în care materialele se extind în lungime sub căldură.

TL; DR (Prea lung; Nu am citit)

Expansiunea liniară a unui solid sub o schimbare de temperatură poate fi măsurată folosind Δℓ / ℓ = αΔT și are aplicații în modul în care solidele se extind și se contractă în viața de zi cu zi. Tulpina pe care o suferă obiectul are implicații în inginerie atunci când se potrivesc obiecte între ele.

Când materialul solid se extinde ca răspuns la o creștere a temperaturii (dilatare termică), acesta poate crește în lungime într-un proces cunoscut sub numele de dilatare liniară.

Pentru un solid de lungime ℓ, puteți măsura diferența de lungime Δℓ datorită unei modificări de temperatură ΔT pentru a determina α, coeficientul de expansiune termică pentru solid conform ecuației:

pentru un exemplu de aplicare de expansiune și contracție.

Cu toate acestea, această ecuație presupune că modificarea presiunii este neglijabilă pentru o mică modificare fracțională a lungimii. Acest raport de Δℓ / ℓ este, de asemenea, cunoscut sub numele de tulpină de material, notată ca ϵ_termic. Tulpina, răspunsul unui material la stres, îl poate determina deformarea.

Puteți utiliza Coeficienții de extindere liniară ai casetei de instrumente pentru a determina rata de expansiune a unui material proporțional cu cantitatea materialului respectiv. Vă poate spune cât de mult se extinde un material în funcție de cât de mult din acel material aveți, precum și cât de multă schimbare de temperatură aplicați pentru o aplicație de expansiune în fizică.

Dacă doriți să deschideți un borcan strâns, îl puteți rula sub apă fierbinte pentru a extinde ușor capacul și a ușura deschiderea. Acest lucru se datorează faptului că, atunci când substanțe, cum ar fi solide, lichide sau gaze, sunt încălzite, media lorenergia cinetică moleculară crește. Energia medie a atomilor care vibrează în interiorul materialului crește. Acest lucru crește separarea dintre atomi și molecule care face ca materialul să se extindă.

Deși acest lucru poate provoca modificări de fază, cum ar fi topirea gheții în apă, expansiunea termică este în general un rezultat mai direct al creșterii temperaturii. Utilizați coeficientul liniar de expansiune termică pentru a descrie acest lucru.

Materialele se pot extinde sau contracta ca răspuns la aceste schimbări chimice, aducând o schimbare la scară largă a dimensiunii aceste procese chimice și termodinamice la scară mică, în același mod în care podurile și clădirile se pot extinde sub extreme căldură. În inginerie, puteți măsura schimbarea lungimii unei substanțe solide datorită dilatării termice.

​Material anizotropS, care variază în substanță între direcții diferite, pot avea coeficienți de expansiune liniari diferiți în funcție de direcție. În aceste cazuri, puteți utiliza tensori pentru a descrie expansiunea termică ca un tensor, o matrice care descrie coeficientul de expansiune termică în fiecare direcție: x, y și z.

​Policristalinmaterialele care alcătuiesc sticla cu coeficienți de expansiune termică microscopici aproape zero sunt foarte utile pentru refractare precum cuptoare și incineratoare. Tensorii pot descrie acești coeficienți contabilizând diferite direcții de expansiune liniară în aceste materiale anizotrope.

Cordierita, un material silicat care are un coeficient de expansiune termică pozitiv și unul negativ înseamnă că tensorul său descrie o schimbare de volum în esență zero. Aceasta îl face o substanță ideală pentru refractare.

Un arheolog norvegian a teoretizat că vikingii foloseau expansiunea termică acordieritpentru a-i ajuta să navigheze pe mări cu secole în urmă. În Islanda, cu cristale mari, transparente, de cordierită, au folosit pietre solare din cordierită care ar putea polarizați lumina într-o anumită direcție numai într-o anumită orientare a cristalului pentru a le permite să navigheze pe noros, zile înnorate. Deoarece cristalele s-ar extinde în lungime chiar și cu un coeficient scăzut de expansiune termică, acestea au arătat o culoare strălucitoare.

Inginerii trebuie să ia în considerare modul în care obiectele se extind și se contractă atunci când proiectează structuri precum clădiri și poduri. Atunci când se măsoară distanțele pentru supravegherea terenului sau se proiectează matrițe și containere pentru materiale fierbinți, acestea trebuie ia în considerare cât de mult se poate extinde pământul sau un pahar ca răspuns la schimbările de temperatură pe care le au experienţă.

​Termostatemizați pe benzi bimetalice din două benzi subțiri diferite de metale plasate una pe cealaltă, astfel încât una se extinde mult mai semnificativ decât cealaltă datorită schimbărilor de temperatură. Acest lucru face ca banda să se îndoaie și, atunci când o face, închide bucla unui circuit electric.

Acest lucru determină pornirea aparatului de aer condiționat și, prin schimbarea valorilor termostatului, se schimbă distanța dintre bandă pentru închiderea circuitului. Când temperatura externă atinge valoarea dorită, metalul se contractă pentru a deschide circuitul și a opri aparatul de aer condiționat. Acesta este unul dintre multele exemple de utilizare a expansiunii și contracției.

La preîncălzirea componentelor metalice între 150 ° C și 300 ° C, acestea se extind, astfel încât să poată fi introduse într-un alt compartiment, un proces cunoscut sub numele de montaj cu inducție prin contracție. Metodele UltraFlex Power Technologies au implicat montarea prin inducție a izolației din teflon pe un fir prin încălzirea unei țevi din oțel inoxidabil la 350 ° C folosind o bobină de inducție.

Expansiunea termică poate fi utilizată pentru a măsura saturația solidelor printre gazele și lichidele pe care le absoarbe în timp. Puteți configura un experiment pentru a măsura lungimea unui bloc uscat înainte și după ce lăsați-l să absoarbă apa în timp. Schimbarea lungimii poate da coeficientul termic de expansiune. Acest lucru este util pentru determinarea modului în care clădirile se extind în timp atunci când sunt expuse la aer.

Coeficienții de dilatare termică liniară variază ca invers al punctului de topire al substanței respective. Materialele cu puncte de topire mai mari au coeficienți de dilatare termică liniară mai mici. Numerele variază de la aproximativ 400 K pentru sulf până la aproximativ 3.700 pentru tungsten.

Coeficientul de expansiune termică variază, de asemenea, în funcție de temperatura materialului însuși (în special dacă temperatura de tranziție a sticlei a fost încrucișat), structura și forma materialului, orice aditivi implicați în experiment și potențiale reticulări între polimerii din substanţă.

​Polimeri amorfi, cele fără structuri cristaline, tind să aibă coeficienți de expansiune termică mai mici decât cei semicristalini. Dintre sticlă, sticla de sodiu calciu oxid de siliciu sau sticla de silicat de sodiu-var, are un coeficient destul de scăzut de 9, unde are sticlă borosilicată, utilizată pentru fabricarea obiectelor din sticlă, este de 4,5.

Expansiunea termică variază între solide, lichide și gaze. Solidele își păstrează în general forma, cu excepția cazului în care sunt constrânse de un container. Ele se extind pe măsură ce zona lor se schimbă față de zona lor originală într-un proces numit expansiune areală sau expansiune superficială, precum și schimbarea volumului lor în raport cu volumul original prin volumetric expansiune. Aceste dimensiuni diferite vă permit să măsurați expansiunea solidelor în mai multe forme.

Expansiunea lichidă este mult mai probabil să ia forma containerului, astfel încât să puteți utiliza expansiunea volumetrică pentru a explica acest lucru. Coeficientul liniar de expansiune termică pentru solide esteα, coeficientul pentru lichide esteβiar expansiunea termică a gazelor este legea ideală a gazelor

pentru presiuneP, volumV, numărul de alunițen, constantă de gazRși temperaturaT​.