Uporaba linearne ekspanzije v inženirstvu

Železnice in mostovi bodo morda potrebovali dilatacijske spoje. Kovinskih cevi za toplo vodo ne smete uporabljati v dolgih, linearnih dolžinah. Skenirni elektronski mikroskopi morajo zaznati minutne spremembe temperature, da spremenijo svoj položaj glede na točko ostrenja. Tekoči termometri uporabljajo živo srebro ali alkohol, zato tečejo le v eno smer, saj se tekočina zaradi temperaturnih sprememb širi. Vsak od teh primerov prikazuje, kako se materiali po vročini širijo.

TL; DR (predolgo; Nisem prebral)

Linearno raztezanje trdne snovi pri temperaturni spremembi je mogoče izmeriti z uporabo Δℓ / ℓ = αΔT in se uporablja v načinih širjenja in krčenja trdnih snovi v vsakdanjem življenju. Obremenitev, ki jo ima predmet, vpliva na inženirstvo, če predmete med seboj prilega.

Ko se trdni material razširi kot odziv na povišanje temperature (termično raztezanje), se lahko v postopku, znanem kot linearno raztezanje, poveča.

Za trdno snov dolžine ℓ lahko izmerite razliko v dolžini Δℓ zaradi spremembe temperature ΔT, da določite α, koeficient toplotnega raztezanja trdne snovi po enačbi:

za primer uporabe razširitve in krčenja.

Ta enačba pa predvideva, da je sprememba tlaka zanemarljiva za majhno delno spremembo dolžine. To razmerje Δℓ / ℓ je znano tudi kot materialna deformacija, označena z ϵ_toplotno. Sev, odziv materiala na stres, lahko povzroči njegovo deformacijo.

S pomočjo koeficientov linearne širitve Engineering Toolbox lahko določite stopnjo razširitve materiala sorazmerno s količino tega materiala. Lahko vam pove, koliko se material razširi glede na to, koliko tega materiala imate, pa tudi, koliko sprememb temperature uporabite za uporabo ekspanzije v fiziki.

Če želite odpreti tesen kozarec, ga lahko spustite pod vročo vodo, da pokrov nekoliko razširite in olajšate odpiranje. To je zato, ker je pri segrevanju snovi, kot so trdne snovi, tekočine ali plini, njihovo povprečjemolekularna kinetična energija narašča. Povprečna energija atomov, ki vibrirajo v materialu, se poveča. To poveča ločevanje med atomi in molekulami, zaradi česar se material širi.

Čeprav lahko to povzroči fazne spremembe, kot je taljenje ledu v vodo, je toplotna ekspanzija na splošno bolj neposredna posledica povišanja temperature. Za opis tega uporabite linearni koeficient toplotnega raztezanja.

Materiali se lahko razširijo ali skrčijo kot odgovor na te kemijske spremembe, ki prinašajo obsežne spremembe velikosti od ti majhni kemični in termodinamični procesi se na skoraj enak način lahko mostovi in ​​zgradbe širijo v ekstremnih razmerah toplota. V inženirstvu lahko izmerite spremembo dolžine trdne snovi zaradi toplotnega raztezanja.

​Anizotropni materials, ki se med seboj razlikujejo po vsebnosti, imajo lahko različne linearne koeficiente raztezanja, odvisno od smeri. V teh primerih lahko s pomočjo tenzorjev opišete toplotno raztezanje kot tenzor, matriko, ki opisuje koeficient toplotne razteznosti v vsaki smeri: x, y in z.

​Polikristalnamateriali, ki tvorijo steklo s skoraj ničelnimi koeficienti mikroskopskega toplotnega raztezanja, so zelo uporabni za ognjevzdržne materiale, kot so peči in sežigalnice. Tenzorji lahko te koeficiente opišejo z upoštevanjem različnih smeri linearnega raztezanja v teh anizotropnih materialih.

Cordierite, silikatni material, ki ima en pozitiven koeficient toplotnega raztezanja in en negativni, pomeni, da njegov tenzor opisuje spremembo prostornine, ki je v bistvu nič. Zaradi tega je idealna snov za ognjevzdržne materiale.

Norveški arheolog je teoretiziral, da so Vikinzi uporabljali toplotno ekspanzijokordieritjim pomagati pri navigaciji po morjih pred stoletji. Na Islandiji so z velikimi, prozornimi monokristali kordierita uporabljali sončne kamne iz kordierita, ki bi lahko polarizirajo svetlobo v določeni smeri le v določenih usmeritvah kristala, da jim omogočijo navigacijo po oblaku, oblačni dnevi. Ker so se kristali v dolžino širili tudi z nizkim koeficientom toplotnega raztezanja, so pokazali svetlo barvo.

Inženirji morajo pri načrtovanju objektov, kot so zgradbe in mostovi, upoštevati, kako se predmeti širijo in krčijo. Pri merjenju razdalj za zemeljske raziskave ali oblikovanju kalupov in posod za vroče materiale morajo upoštevati, koliko se lahko zemlja ali kozarec razširi kot odziv na njihove spremembe temperature izkušnje.

​Termostatizanašajte se na bimetalne trakove dveh različnih tankih trakov kovin, nameščenih enega na drugega, zato se eden zaradi temperaturnih sprememb bistveno bolj razširi kot drugi. To povzroči, da se trak upogne in v tem primeru zapre zanko električnega tokokroga.

To povzroči, da se klimatska naprava zažene in se s spreminjanjem vrednosti termostata spremeni razdalja med trakom za zapiranje tokokroga. Ko zunanja temperatura doseže želeno vrednost, kovina sklene, da odpre krog in ustavi klimatsko napravo. To je ena izmed mnogih primerov uporabe razširitve in krčenja.

Ko predgrejejo kovinske komponente med 150 ° C in 300 ° C, se razširijo, tako da jih je mogoče vstaviti v drug predel, postopek, znan kot indukcijsko krčenje. Metode UltraFlex Power Technologies vključujejo indukcijsko krčenje teflonske izolacije na žico s segrevanjem cevi iz nerjavečega jekla na 350 ° C z uporabo indukcijske tuljave.

S toplotnim raztezanjem lahko merimo nasičenost trdnih snovi med plini in tekočinami, ki jih skozi čas absorbira. Lahko nastavite poskus za merjenje dolžine posušenega bloka pred in po tem, ko pustite, da sčasoma vpije vodo. Sprememba dolžine lahko daje toplotni koeficient raztezanja. To se praktično uporablja pri določanju, kako se stavbe sčasoma širijo, če so izpostavljene zraku.

Koeficienti linearnega toplotnega raztezanja se spreminjajo kot inverzna vrednost tališča te snovi. Materiali z višjimi tališči imajo nižje koeficiente linearnega toplotnega raztezanja. Številke se gibljejo od približno 400 K za žveplo do približno 3700 za volfram.

Koeficient toplotnega raztezanja se spreminja tudi glede na temperaturo samega materiala (zlasti glede na to, ali je bila temperatura prehoda stekla struktura in oblika materiala, morebitni dodatki, vključeni v poskus, in morebitna zamreženja med polimeri snov.

​Amorfni polimeri, tisti brez kristalnih struktur, imajo ponavadi nižje koeficiente toplotnega raztezanja kot polkristalni. Med steklom ima steklo natrijevega kalcijevega silicijevega oksida ali soda-apno-silikatno steklo dokaj nizek koeficient 9, pri čemer je borosilikatno steklo, ki se uporablja za izdelavo steklenih predmetov, 4,5.

Toplotno raztezanje se spreminja med trdnimi snovmi, tekočinami in plini. Trdne snovi običajno ohranijo obliko, razen če jih ne zadržuje posoda. Razširijo se, ko se njihovo območje spremeni glede na prvotno območje v postopku, imenovanem razširitev površja oz površinsko razširitev, kot tudi spreminjanje njihove glasnosti glede na prvotno prostornino z volumetrično širitev. Te različne dimenzije vam omogočajo merjenje ekspanzije trdnih snovi v številnih oblikah.

Razširitev tekočine ima veliko večjo verjetnost, da ima obliko posode, zato lahko to razložite z volumetričnim raztezanjem. Linearni koeficient toplotnega raztezanja trdnih snovi jeα, koeficient za tekočine jeβin toplotna ekspanzija plinov je zakon o idealnem plinu

za pritiskP, glasnostV, število molovn, plinska konstantaRin temperatureT​.