Tillämpningen av linjär expansion inom teknik

Järnvägar och broar kan behöva expansionsfogar. Varmvattenrör av metall ska inte användas i långa, linjära längder. Skannande elektroniska mikroskop behöver upptäcka små temperaturförändringar för att ändra sin position i förhållande till deras fokuspunkt. Flytande termometrar använder kvicksilver eller alkohol, så de flyter bara i en riktning när vätskan expanderar på grund av temperaturförändringar. Var och en av dessa exempel visar hur material expanderar i längd under värme.

TL; DR (för lång; Läste inte)

Den linjära expansionen av en fast substans under en temperaturförändring kan mätas med Δℓ / ℓ = αΔT och har tillämpningar på hur fasta ämnen expanderar och dras samman i vardagen. Den belastning som objektet genomgår har konsekvenser för teknik när man monterar objekt mellan varandra.

När fast material expanderar som svar på en temperaturökning (termisk expansion) kan det öka i längd i en process som kallas linjär expansion.

För en fast substans med längden ℓ kan du mäta skillnaden i längd Δℓ på grund av en temperaturförändring ΔT för att bestämma α, värmeutvidgningskoefficienten för det fasta ämnet enligt ekvationen:

för ett exempel på användning av expansion och kontraktion.

Denna ekvation antar emellertid att tryckförändringen är försumbar för en liten fraktionerad längdförändring. Detta förhållande av Aℓ / ℓ är också känt som materialstam, betecknad som ϵ_termisk. Sil, materialets reaktion på stress, kan orsaka att det deformeras.

Du kan använda teknikverktygslådans koefficienter för linjär expansion för att bestämma expansionshastigheten för ett material i proportion till mängden av det materialet. Den kan berätta hur mycket ett material expanderar baserat på hur mycket av det materialet du har, samt hur mycket av en temperaturförändring du använder för en tillämpning av expansion i fysik.

Om du vill öppna en tät burk kan du köra den under varmt vatten för att expandera locket något och göra det lättare att öppna. Detta beror på att när ämnen, som fasta ämnen, vätskor eller gaser, värms upp, är deras genomsnittmolekylär kinetisk energi stiger. Den genomsnittliga energin för de atomer som vibrerar i materialet ökar. Detta ökar separationen mellan atomer och molekyler som får materialet att expandera.

Även om detta kan orsaka fasförändringar såsom issmältning till vatten, är den termiska expansionen i allmänhet ett mer direkt resultat av temperaturökningen. Du använder den linjära värmeutvidgningskoefficienten för att beskriva detta.

Materialen kan expandera eller dra ihop sig som svar på dessa kemiska förändringar som medför en storskalig förändring i storlek från dessa småskaliga kemiska och termodynamiska processer på ungefär samma sätt som broar och byggnader kan expandera under extrema förhållanden värme. Inom teknik kan du mäta förändringen i en fast substans längd på grund av termisk expansion.

​Anisotropiskt materials, sådana som varierar i sin substans mellan olika riktningar, kan ha olika linjära expansionskoefficienter beroende på riktningen. I dessa fall kan du använda tensorer för att beskriva den termiska expansionen som en tensor, en matris som beskriver den termiska expansionskoefficienten i varje riktning: x, y och z.

​Polykristallinmaterial som utgör glas med nästan noll mikroskopiska värmeutvidgningskoefficienter är mycket användbara för eldstäder som ugnar och förbränningsanläggningar. Tensorer kan beskriva dessa koefficienter genom att redovisa olika riktningar för linjär expansion i dessa anisotropa material.

Cordierite, en silikatmateriel som har en positiv värmeutvidgningskoefficient och en negativ betyder att dess tensor beskriver en volymförändring på väsentligen noll. Det gör det till ett idealiskt ämne för eldfasta ämnen.

En norsk arkeolog teoretiserade att vikingar använde den termiska expansionen avcordieriteför att hjälpa dem att navigera i haven för århundraden sedan. På Island, med stora, genomskinliga enstaka kristaller av kordierit, använde de solstenar av kordierit som kunde polarisera ljuset i en viss riktning endast i vissa riktningar av kristallen för att låta dem navigera på molnigt, mulna dagar. Eftersom kristallerna expanderade i längd även med en låg termisk expansionskoefficient visade de en ljus färg.

Ingenjörer måste överväga hur föremål expanderar och kontraherar vid utformning av strukturer som byggnader och broar. Vid mätning av avstånd för landundersökningar eller utformning av formar och behållare för heta material måste de ta reda på hur mycket jorden eller ett glas kan expandera som svar på temperaturförändringarna erfarenhet.

​Termostaterförlita sig på bimetallremsor av två olika tunna remsor av metaller placerade på varandra, så den ena expanderar betydligt mer än den andra på grund av temperaturförändringar. Detta gör att remsan böjer sig och när den gör det stänger den öglan på en elektrisk krets.

Detta gör att luftkonditioneringen startar, och genom att ändra termostatens värden ändras avståndet mellan remsan för att stänga kretsen. När den yttre temperaturen når sitt önskade värde dras metallen samman för att öppna kretsen och stoppa luftkonditioneringen. Detta är en av många exempel på användning av expansion och sammandragning.

Vid förvärmning av metallkomponenter mellan 150 ° C och 300 ° C expanderar de så att de kan sättas in i ett annat fack, en process som kallas induktionskrympmontering. Metoderna i UltraFlex Power Technologies har involverat induktionskrympmontering av teflonisolering på en tråd genom att värma ett rostfritt stålrör till 350 ° C med hjälp av en induktionsspole.

Termisk expansion kan användas för att mäta mättnad av fasta ämnen bland de gaser och vätskor som den absorberar över tiden. Du kan skapa ett experiment för att mäta längden på ett torkat block före och efter att det har absorberat vatten över tiden. Förändringen i längd kan ge den termiska expansionskoefficienten. Detta har praktisk användning för att bestämma hur byggnader expanderar över tid när de utsätts för luft.

De linjära värmeutvidgningskoefficienterna varierar som en invers av ämnets smältpunkt. Material med högre smältpunkter har lägre linjära värmeutvidgningskoefficienter. Siffrorna sträcker sig från cirka 400 K för svavel upp till cirka 3700 för volfram.

Koefficienten för värmeutvidgning varierar också efter materialets temperatur (särskilt om glasövergångstemperaturen har varit materialets struktur och form, eventuella tillsatser som är inblandade i experimentet och potentiell tvärbindning mellan polymererna i ämne.

​Amorfa polymerer, sådana utan kristallina strukturer, tenderar att ha lägre värmeutvidgningskoefficienter än halvkristallina. Bland glas har natriumkalciumkiseloxidglas eller soda-kalk-silikatglas en ganska låg koefficient på 9 där har borosilikatglas, som används för att göra glasföremål är 4,5.

Termisk expansion varierar mellan fasta ämnen, vätskor och gaser. Torrsubstanser behåller i allmänhet sin form såvida de inte begränsas av en behållare. De expanderar när deras område ändras med avseende på sitt ursprungliga område i en process som kallas areal expansion eller ytlig expansion, liksom deras volym som förändras med avseende på originalvolym genom volymetrisk expansion. Dessa olika dimensioner låter dig mäta expansion av fasta ämnen i många former.

Vätskeutvidgning är mycket mer benägna att ha formen av behållaren, så du kan använda den volymetriska expansionen för att förklara detta. Den linjära termiska expansionskoefficienten för fasta ämnen ärαär koefficienten för vätskorβoch den termiska expansionen av gaser är den ideala gaslagen

för tryckP, volymV, antal moln, gaskonstantRoch temperaturT​.