Aplikácia lineárnej expanzie v strojárstve

Železnice a mosty môžu vyžadovať dilatačné škáry. Kovové rúry na ohrev teplej vody by sa nemali používať v dlhých lineárnych dĺžkach. Skenovacie elektronické mikroskopy musia detegovať nepatrné zmeny teploty, aby mohli zmeniť svoju pozíciu vzhľadom na svoj zaostrovací bod. Kvapalné teplomery používajú ortuť alebo alkohol, takže pri expanzii kvapaliny v dôsledku teplotných zmien prúdia iba jedným smerom. Každý z týchto príkladov demonštruje, ako sa materiály vplyvom tepla rozširujú do dĺžky.

TL; DR (príliš dlhý; Nečítali)

Lineárnu expanziu tuhej látky pri zmene teploty je možné merať pomocou Δℓ / ℓ = αΔT a má uplatnenie v spôsoboch expanzie a kontrakcie pevných látok v každodennom živote. Kmeň, ktorý objekt podstupuje, má dôsledky v inžinierstve, keď objekty navzájom zapadajú.

Keď sa pevný materiál roztiahne v reakcii na zvýšenie teploty (tepelná rozťažnosť), môže sa jeho dĺžka zväčšiť v procese známom ako lineárna rozťažnosť.

Pre teleso s dĺžkou ℓ môžete zmerať rozdiel v dĺžke Δℓ v dôsledku zmeny teploty ΔT a určiť α, koeficient tepelnej rozťažnosti pre teleso podľa rovnice:

napríklad aplikácia expanzie a kontrakcie.

Táto rovnica však predpokladá, že zmena tlaku je pri malej zlomkovej zmene dĺžky zanedbateľná. Tento pomer Δℓ / ℓ je tiež známy ako kmeň materiálu, označovaný ako ϵ_termálny. Kmeň, reakcia materiálu na stres, môže spôsobiť jeho deformáciu.

Na určenie rýchlosti expanzie materiálu v pomere k množstvu tohto materiálu môžete použiť koeficienty lineárneho rozšírenia v nástroji Engineering Toolbox. Môže vám povedať, o koľko sa materiál roztiahne na základe toho, koľko z tohto materiálu máte, ako aj o tom, akú veľkú zmenu teploty použijete pre aplikáciu rozšírenia vo fyzike.

Ak chcete otvoriť tesnú nádobu, môžete ju spustiť pod horúcou vodou, aby ste mierne rozšírili viečko a uľahčili jeho otvorenie. Je to tak preto, lebo pri zahrievaní látok, ako sú tuhé látky, kvapaliny alebo plyny, je ich priemerná hodnotamolekulárna kinetická energia stúpa. Priemerná energia atómov vibrujúcich vo vnútri materiálu rastie. To zvyšuje separáciu medzi atómami a molekulami, vďaka ktorej sa materiál rozširuje.

Aj keď to môže spôsobiť fázové zmeny, ako je napríklad topenie ľadu na vodu, tepelná rozťažnosť je vo všeobecnosti priamym dôsledkom zvýšenia teploty. Na jeho opísanie použijete lineárny koeficient tepelnej rozťažnosti.

Materiály sa môžu rozpínať alebo sťahovať v reakcii na tieto chemické zmeny, čo vedie k rozsiahlej zmene veľkosti od tieto malé chemické a termodynamické procesy malého rozsahu rovnakým spôsobom, ako sa môžu extrémne rozširovať mosty a budovy teplo. V strojárstve môžete merať zmenu dĺžky tuhej látky v dôsledku tepelnej rozťažnosti.

​Anizotropný materiáls, ktoré sa líšia svojou látkou medzi rôznymi smermi, môžu mať rôzne koeficienty lineárnej rozťažnosti v závislosti od smeru. V týchto prípadoch môžete použiť tenzory na opísanie tepelnej rozťažnosti ako tenzora, matice, ktorá popisuje koeficient tepelnej rozťažnosti v každom smere: x, yaz.

​Polykryštalickémateriály, ktoré tvoria sklo s takmer nulovými mikroskopickými koeficientmi tepelnej rozťažnosti, sú veľmi užitočné pre žiaruvzdorné materiály, ako sú pece a spaľovne. Tenzory môžu tieto koeficienty popísať započítaním rôznych smerov lineárnej expanzie v týchto anizotropných materiáloch.

Kordierit, kremičitý materiál, ktorý má jeden kladný koeficient tepelnej rozťažnosti a jeden záporný znamená, že jeho tenzor popisuje zmenu objemu v podstate nulovú. To z neho robí ideálnu látku pre žiaruvzdorné materiály.

Nórsky archeológ predpokladal, že Vikingovia použili tepelnú rozťažnosťkordieritpomôcť im plaviť sa po moriach pred stáročiami. Na Islande s veľkými priehľadnými monokryštálmi kordieritu používali slnečné kamene vyrobené z kordieritu, ktoré to dokázali polarizujte svetlo určitým smerom iba v určitých orientáciách kryštálu, aby ste ich nechali navigovať zakalene, zamračené dni. Pretože sa kryštály rozširovali do dĺžky aj pri nízkom koeficiente tepelnej rozťažnosti, vykazovali jasnú farbu.

Inžinieri musia pri navrhovaní štruktúr, ako sú budovy a mosty, brať do úvahy, ako sa objekty rozširujú a sťahujú. Pri meraní vzdialeností pre zemné prieskumy alebo pri navrhovaní foriem a nádob na horúce materiály musia byť Zvážte, koľko sa môže zem alebo sklo rozpínať v reakcii na zmeny teploty skúsenosti.

​Termostatyspoliehajte sa na bimetalové pásy dvoch rôznych tenkých pásov kovov, ktoré sú umiestnené jeden na druhom, takže jeden sa vplyvom zmien teploty rozširuje oveľa výraznejšie ako druhý. To spôsobí, že sa pásik ohne, a keď sa tak stane, uzavrie slučku elektrického obvodu.

To spôsobí spustenie klimatizácie a zmenou hodnôt termostatu sa zmení vzdialenosť medzi páskou na uzavretie okruhu. Keď vonkajšia teplota dosiahne požadovanú hodnotu, kov sa stiahne, aby otvoril okruh a zastavil klimatizáciu. Toto je jeden z mnohých príkladov použitia expanzie a kontrakcie.

Pri predhrievaní kovových komponentov medzi 150 ° C a 300 ° C sa rozširujú, takže je možné ich vložiť do iného oddielu, čo je proces známy ako indukčné zmršťovanie. Metódy spoločnosti UltraFlex Power Technologies zahrnuli indukčne zmrštiteľnú teflónovú izoláciu na drôt zahriatím rúry z nehrdzavejúcej ocele na 350 ° C pomocou indukčnej cievky.

Tepelnú rozťažnosť je možné použiť na meranie nasýtenia tuhých látok medzi plynmi a tekutinami, ktoré absorbuje v priebehu času. Môžete vytvoriť experiment na zmeranie dĺžky vysušeného bloku pred a po tom, ako nechá časom absorbovať vodu. Zmena dĺžky môže poskytnúť tepelný koeficient rozťažnosti. Toto má praktické využitie pri určovaní toho, ako sa budovy časom vystavia pôsobeniu vzduchu.

Lineárne koeficienty tepelnej rozťažnosti sa líšia ako inverzná teplota topenia tejto látky. Materiály s vyššími bodmi topenia majú nižšie lineárne koeficienty tepelnej rozťažnosti. Čísla sa pohybujú od asi 400 K pre síru až po asi 3 700 pre volfrám.

Koeficient tepelnej rozťažnosti sa tiež líši podľa teploty samotného materiálu (najmä od toho, či bola teplota skleného prechodu) skrížené), štruktúra a tvar materiálu, akékoľvek prísady zapojené do experimentu a potenciálne zosieťovanie medzi polymérmi látka.

​Amorfné polyméry, bez kryštalických štruktúr, majú tendenciu mať nižšie koeficienty tepelnej rozťažnosti ako semikryštalické. Medzi sklom má sodno-vápenaté sklo na báze oxidu kremičitého alebo sodnovápenatokremičité sklo pomerne nízky koeficient 9, ak má borosilikátové sklo na výrobu sklenených predmetov 4,5.

Tepelná rozťažnosť sa líši medzi pevnými látkami, kvapalinami a plynmi. Tuhé látky si zvyčajne zachovávajú svoj tvar, pokiaľ nie sú obmedzené nádobou. Rozširujú sa, keď sa ich plocha mení s ohľadom na pôvodnú oblasť v procese nazývanom plošná expanzia alebo povrchová expanzia, ako aj ich objem sa mení s ohľadom na pôvodný objem prostredníctvom objemovej expanzia. Tieto rôzne rozmery vám umožňujú merať rozpínanie pevných látok v mnohých formách.

Rozptyl kvapaliny má oveľa pravdepodobnejšie formu nádoby, takže na vysvetlenie môžete použiť objemovú rozťažnosť. Lineárny koeficient tepelnej rozťažnosti pre tuhé látky jeα, koeficient pre kvapaliny jeβa tepelná rozťažnosť plynov je zákon ideálneho plynu

pre tlakP, objemV., počet krtkovn, plynová konštantaRa teplotaT​.