Применение линейного расширения в технике

На железных дорогах и мостах могут потребоваться компенсаторы. Металлические трубы для водяного отопления нельзя использовать на больших линейных длинах. Сканирующим электронным микроскопам необходимо обнаруживать мельчайшие изменения температуры, чтобы изменить свое положение относительно точки фокусировки. В жидкостных термометрах используется ртуть или спирт, поэтому они текут только в одном направлении, поскольку жидкость расширяется из-за изменений температуры. Каждый из этих примеров демонстрирует, как материалы расширяются в длину под действием тепла.

TL; DR (слишком длинный; Не читал)

Линейное расширение твердого тела при изменении температуры может быть измерено с помощью Δℓ / ℓ = αΔT и может применяться в том, как твердые тела расширяются и сжимаются в повседневной жизни. Напряжение, которому подвергается объект, имеет значение в инженерии при подгонке объектов друг к другу.

Когда твердый материал расширяется в ответ на повышение температуры (тепловое расширение), он может увеличиваться в длине в процессе, известном как линейное расширение.

Для твердого тела длиной ℓ вы можете измерить разницу в длине Δℓ из-за изменения температуры ΔT, чтобы определить α, коэффициент теплового расширения твердого тела, в соответствии с уравнением:

для примера применения расширения и сжатия.

Однако это уравнение предполагает, что изменение давления незначительно при небольшом частичном изменении длины. Это отношение Δℓ / ℓ также известно как деформация материала и обозначается как_{термический}. Деформация, реакция материала на напряжение, может вызвать его деформацию.

Вы можете использовать Коэффициенты линейного расширения Engineering Toolbox, чтобы определить скорость расширения материала пропорционально количеству этого материала. Он может сказать вам, насколько материал расширяется в зависимости от того, сколько этого материала у вас есть, а также от того, какое изменение температуры вы применяете для применения расширения в физике.

Если вы хотите открыть герметичную банку, вы можете промыть ее под горячей водой, чтобы немного расширить крышку и облегчить ее открытие. Это связано с тем, что при нагревании таких веществ, как твердые тела, жидкости или газы, их средняямолекулярная кинетическая энергия возрастает. Средняя энергия атомов, колеблющихся внутри материала, увеличивается. Это увеличивает расстояние между атомами и молекулами, что приводит к расширению материала.

Хотя это может вызвать фазовые изменения, такие как плавление льда в воду, тепловое расширение, как правило, является более прямым результатом повышения температуры. Для описания этого используется линейный коэффициент теплового расширения.

Материалы могут расширяться или сжиматься в ответ на эти химические изменения, вызывая крупномасштабное изменение размера от эти мелкомасштабные химические и термодинамические процессы почти так же, как мосты и здания могут расширяться при экстремальных нагревать. В технике вы можете измерить изменение длины твердого вещества из-за теплового расширения.

​Анизотропный материалs, те, которые различаются по своему содержанию в разных направлениях, могут иметь разные коэффициенты линейного расширения в зависимости от направления. В этих случаях вы можете использовать тензоры для описания теплового расширения как тензора, матрицы, которая описывает коэффициент теплового расширения в каждом направлении: x, y и z.

​Поликристаллическийматериалы, из которых состоит стекло, с почти нулевым микроскопическим коэффициентом теплового расширения очень полезны для огнеупоров, таких как печи и мусоросжигательные печи. Тензоры могут описывать эти коэффициенты, учитывая различные направления линейного расширения в этих анизотропных материалах.

Кордиерит, силикатный материал, который имеет один положительный коэффициент теплового расширения и один отрицательный, означает, что его тензор описывает изменение объема практически до нуля. Это делает его идеальным веществом для огнеупоров.

Норвежский археолог предположил, что викинги использовали тепловое расширениекордиеритчтобы помочь им ориентироваться в морях много веков назад. В Исландии с большими прозрачными монокристаллами кордиерита использовали солнечные камни из кордиерита, которые могли поляризуйте свет в определенном направлении только в определенных ориентациях кристалла, чтобы они могли перемещаться в облачности, пасмурные дни. Поскольку кристаллы расширялись в длину даже при низком коэффициенте теплового расширения, они имели яркий цвет.

Инженеры должны учитывать, как объекты расширяются и сжимаются при проектировании таких конструкций, как здания и мосты. При измерении расстояний для землеустройства или проектирования форм и контейнеров для горячих материалов они должны учтите, насколько земля или стакан могут расшириться в ответ на изменения температуры, на которые они опыт.

​Термостатыполагаются на биметаллические полосы из двух разных тонких металлических полосок, помещенных одна на другую, поэтому одна из них расширяется намного больше, чем другая из-за изменений температуры. Это заставляет полоску изгибаться и, когда это происходит, замыкает петлю электрической цепи.

Это приводит к запуску кондиционера, и, изменяя значения термостата, изменяется расстояние между полосками для замыкания контура. Когда внешняя температура достигает желаемого значения, металл сжимается, размыкая цепь и останавливая кондиционер. Это один из многих примеров использования расширения и сжатия.

При предварительном нагреве металлических компонентов от 150 ° C до 300 ° C они расширяются, поэтому их можно вставить в другой отсек. Этот процесс известен как индукционная термоусадка. Методы UltraFlex Power Technologies включают индукционную термоусадку тефлоновой изоляции на проводе путем нагрева трубы из нержавеющей стали до 350 ° C с помощью индукционной катушки.

Тепловое расширение можно использовать для измерения насыщения твердых веществ среди газов и жидкостей, которые оно поглощает с течением времени. Вы можете поставить эксперимент, чтобы измерить длину высушенного блока до и после того, как он со временем впитает воду. Изменение длины может дать тепловой коэффициент расширения. Это имеет практическое применение для определения того, как здания расширяются с течением времени под воздействием воздуха.

Коэффициенты линейного теплового расширения изменяются обратно пропорционально температуре плавления этого вещества. Материалы с более высокими температурами плавления имеют более низкие коэффициенты линейного теплового расширения. Цифры варьируются от примерно 400 К для серы до примерно 3700 для вольфрама.

Коэффициент теплового расширения также зависит от температуры самого материала (особенно от того, была ли температура стеклования скрещены), структура и форма материала, любые добавки, участвующие в эксперименте, и потенциальное сшивание между полимерами вещество.

​Аморфные полимеры, не имеющие кристаллической структуры, как правило, имеют более низкие коэффициенты теплового расширения, чем полукристаллические. Среди стекла натриево-кальциево-оксидное стекло или натриево-кальциево-силикатное стекло имеет довольно низкий коэффициент 9, тогда как боросиликатное стекло, используемое для изготовления стеклянных предметов, составляет 4,5.

Температурное расширение варьируется между твердыми телами, жидкостями и газами. Твердые тела обычно сохраняют свою форму, если они не ограничены контейнером. Они расширяются, поскольку их площадь изменяется по сравнению с их первоначальной площадью в процессе, называемом расширением площади или поверхностное расширение, а также изменение их объема по отношению к исходному за счет объемного расширение. Эти разные размеры позволяют измерять расширение твердых тел во многих формах.

Расширение жидкости с большей вероятностью примет форму контейнера, поэтому вы можете использовать объемное расширение, чтобы объяснить это. Линейный коэффициент теплового расширения твердых тел равенαкоэффициент для жидкостей равенβа тепловое расширение газов - закон идеального газа

для давленияп, объемV, количество родинокп, газовая постояннаяри температураТ​.