การประยุกต์ใช้การขยายเชิงเส้นในงานวิศวกรรม

ทางรถไฟและสะพานอาจต้องมีส่วนต่อขยาย ไม่ควรใช้ท่อน้ำร้อนที่เป็นโลหะเป็นเส้นตรงยาว การสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กทรอนิกส์จำเป็นต้องตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเพียงเล็กน้อยเพื่อเปลี่ยนตำแหน่งโดยสัมพันธ์กับจุดโฟกัส เทอร์โมมิเตอร์แบบเหลวใช้ปรอทหรือแอลกอฮอล์ ดังนั้นจะไหลในทิศทางเดียวเมื่อของเหลวขยายตัวเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ตัวอย่างเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าวัสดุขยายความยาวภายใต้ความร้อนได้อย่างไร

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

การขยายตัวเชิงเส้นของของแข็งภายใต้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิสามารถวัดได้โดยใช้ Δℓ/ℓ = αΔT และมีการใช้งานในลักษณะที่ของแข็งขยายตัวและหดตัวในชีวิตประจำวัน ความเครียดที่วัตถุได้รับมีผลกระทบในทางวิศวกรรมเมื่อติดตั้งวัตถุระหว่างกัน

เมื่อวัสดุที่เป็นของแข็งขยายตัวตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น (การขยายตัวด้วยความร้อน) สามารถเพิ่มความยาวในกระบวนการที่เรียกว่าการขยายตัวเชิงเส้น

สำหรับของแข็งที่มีความยาว ℓ คุณสามารถวัดความแตกต่างของความยาว Δℓ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ΔT เพื่อกำหนด α ซึ่งเป็นค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของของแข็งตามสมการ:

สำหรับตัวอย่างการขยายและหดตัว

อย่างไรก็ตาม สมการนี้ถือว่าการเปลี่ยนแปลงความดันนั้นไม่สำคัญสำหรับการเปลี่ยนแปลงความยาวเศษส่วนเล็กน้อย อัตราส่วนของ Δℓ/ℓ นี้เรียกอีกอย่างว่าความเครียดของวัสดุ ซึ่งแสดงเป็น ϵ_{ความร้อน}. ความเครียด ซึ่งเป็นการตอบสนองของวัสดุต่อความเครียด อาจทำให้วัสดุเปลี่ยนรูปได้

คุณสามารถใช้ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของกล่องเครื่องมือวิศวกรรมเพื่อกำหนดอัตราการขยายตัวของวัสดุตามสัดส่วนของปริมาณของวัสดุนั้น มันสามารถบอกคุณได้ว่าวัสดุขยายตัวได้มากน้อยเพียงใดโดยพิจารณาจากจำนวนวัสดุที่คุณมี เช่นเดียวกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่คุณใช้สำหรับการประยุกต์ใช้การขยายตัวทางฟิสิกส์

หากคุณต้องการเปิดขวดโหลที่แน่น คุณสามารถเปิดขวดด้วยน้ำร้อนเพื่อขยายฝาออกเล็กน้อยและทำให้เปิดได้ง่ายขึ้น เนื่องจากเมื่อสารต่างๆ เช่น ของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ ถูกให้ความร้อน ค่าเฉลี่ยของสารนั้น theirพลังงานจลน์ของโมเลกุลเพิ่มขึ้น. พลังงานเฉลี่ยของอะตอมที่สั่นสะเทือนภายในวัสดุเพิ่มขึ้น สิ่งนี้จะเพิ่มการแยกระหว่างอะตอมและโมเลกุลที่ทำให้วัสดุขยายตัว

แม้ว่าสิ่งนี้จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟส เช่น น้ำแข็งละลายเป็นน้ำ การขยายตัวจากความร้อนโดยทั่วไปเป็นผลโดยตรงจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ คุณใช้สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นเพื่ออธิบายสิ่งนี้

วัสดุอาจขยายตัวหรือหดตัวตามการเปลี่ยนแปลงทางเคมีเหล่านี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ในขนาดตั้งแต่ กระบวนการทางเคมีและอุณหพลศาสตร์ขนาดเล็กเหล่านี้ในลักษณะเดียวกับที่สะพานและอาคารอาจขยายตัวภายใต้สภาวะสุดโต่ง ความร้อน ในทางวิศวกรรม คุณสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงในความยาวของสารที่เป็นของแข็งได้เนื่องจากการขยายตัวทางความร้อน

​วัสดุแอนไอโซทรอปิกs สารที่แตกต่างกันไปตามทิศทางที่ต่างกัน อาจมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นต่างกันขึ้นอยู่กับทิศทาง ในกรณีเหล่านี้ คุณอาจใช้เทนเซอร์เพื่ออธิบายการขยายตัวทางความร้อนเป็นเทนเซอร์ ซึ่งเป็นเมทริกซ์ที่อธิบายค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนในแต่ละทิศทาง: x, y และ z

​คริสตัลไลน์วัสดุที่ทำขึ้นเป็นแก้วที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนด้วยกล้องจุลทรรศน์ใกล้ศูนย์มีประโยชน์มากสำหรับวัสดุทนไฟ เช่น เตาเผาและเตาเผาขยะ เทนเซอร์สามารถอธิบายค่าสัมประสิทธิ์เหล่านี้ได้โดยพิจารณาจากทิศทางต่างๆ ของการขยายตัวเชิงเส้นในวัสดุแอนไอโซทรอปิกเหล่านี้

Cordierite ซึ่งเป็นวัสดุซิลิเกตที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนบวกหนึ่งค่าและค่าลบหนึ่งค่าหมายถึงเทนเซอร์อธิบายการเปลี่ยนแปลงปริมาตรเป็นศูนย์ ทำให้เป็นสารในอุดมคติสำหรับวัสดุทนไฟ

นักโบราณคดีชาวนอร์เวย์ตั้งทฤษฎีว่าไวกิ้งใช้การขยายตัวทางความร้อนของคอร์เดียไรท์เพื่อช่วยพวกเขาสำรวจทะเลเมื่อหลายศตวรรษก่อน ในประเทศไอซ์แลนด์ มีคอร์เดียไรต์ผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่โปร่งใส พวกเขาใช้หินซันสโตนที่ทำจากคอร์ดิเอไรต์ที่สามารถ โพลาไรซ์แสงไปในทิศทางที่แน่นอนเฉพาะในทิศทางที่แน่นอนของผลึกเพื่อให้พวกมันนำทางบนเมฆครึ้ม วันที่มืดครึ้ม เนื่องจากคริสตัลจะขยายตัวตามความยาวแม้จะมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ พวกมันก็แสดงสีที่สดใส

วิศวกรต้องพิจารณาว่าวัตถุขยายและหดตัวอย่างไรเมื่อออกแบบโครงสร้างเช่นอาคารและสะพาน เมื่อวัดระยะทางสำรวจที่ดินหรือออกแบบแม่พิมพ์และภาชนะสำหรับวัสดุร้อนจะต้อง พิจารณาว่าโลกหรือแก้วจะขยายตัวเท่าใดตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ temperature ประสบการณ์.

​เทอร์โมสตัทอาศัยแผ่นโลหะไบเมทัลลิกของแผ่นโลหะบางๆ สองแถบที่ต่างกันวางทับกัน ดังนั้นแถบหนึ่งจึงขยายตัวได้อย่างมีนัยสำคัญมากกว่าอีกอันเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ สิ่งนี้ทำให้แถบงอ และเมื่อมันโค้ง มันจะปิดวงจรไฟฟ้า

สิ่งนี้ทำให้เครื่องปรับอากาศเริ่มทำงาน และโดยการเปลี่ยนค่าของเทอร์โมสตัท ระยะห่างระหว่างแถบเพื่อปิดวงจรจะเปลี่ยนไป เมื่ออุณหภูมิภายนอกถึงค่าที่ต้องการ โลหะจะหดตัวเพื่อเปิดวงจรและหยุดเครื่องปรับอากาศ นี่เป็นหนึ่งในหลายตัวอย่างที่ใช้การขยายและการหดตัว

เมื่ออุ่นส่วนประกอบโลหะล่วงหน้าระหว่าง 150°C ถึง 300°C ส่วนประกอบเหล่านี้จะขยายตัว จึงสามารถใส่เข้าไปในช่องอื่นได้ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการหดตัวแบบเหนี่ยวนำ วิธีการของ UltraFlex Power Technologies เกี่ยวข้องกับฉนวนเทฟลอนแบบหดตัวแบบเหนี่ยวนำบนลวดโดยให้ความร้อนกับท่อสแตนเลสที่ 350 องศาเซลเซียสโดยใช้ขดลวดเหนี่ยวนำ

การขยายตัวทางความร้อนสามารถใช้วัดความอิ่มตัวของของแข็งในก๊าซและของเหลวที่ดูดซับเมื่อเวลาผ่านไป คุณสามารถตั้งค่าการทดลองเพื่อวัดความยาวของบล็อกที่แห้งก่อนและหลังปล่อยให้มันดูดซับน้ำเมื่อเวลาผ่านไป การเปลี่ยนแปลงความยาวสามารถให้ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน สิ่งนี้มีประโยชน์จริงในการพิจารณาว่าอาคารจะขยายตัวอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไปเมื่อสัมผัสกับอากาศ

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นแปรผันตามจุดหลอมเหลวของสารนั้นผกผัน วัสดุที่มีจุดหลอมเหลวสูงจะมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นที่ต่ำกว่า ตัวเลขมีตั้งแต่ประมาณ 400 K สำหรับกำมะถันจนถึงประมาณ 3,700 สำหรับทังสเตน

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนยังแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิของวัสดุเองด้วย (โดยเฉพาะอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วหรือไม่) ข้าม) โครงสร้างและรูปร่างของวัสดุ สารเติมแต่งใด ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการทดลองและการเชื่อมโยงข้ามที่อาจเกิดขึ้นระหว่างพอลิเมอร์ของ สาร

​โพลีเมอร์อสัณฐานซึ่งไม่มีโครงสร้างผลึกมีแนวโน้มที่จะมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำกว่าสารกึ่งผลึก ในบรรดาแก้ว แก้วโซเดียมแคลเซียมซิลิกอนออกไซด์หรือแก้วโซดาไลม์ซิลิเกตมีค่าสัมประสิทธิ์ค่อนข้างต่ำเท่ากับ 9 โดยมีแก้วบอโรซิลิเกตที่ใช้ทำวัตถุแก้วคือ 4.5

การขยายตัวทางความร้อนแตกต่างกันไปตามของแข็ง ของเหลว และก๊าซ โดยทั่วไปแล้วของแข็งจะคงรูปร่างไว้เว้นแต่จะถูกจำกัดด้วยภาชนะ พวกมันขยายตัวเมื่อพื้นที่เปลี่ยนแปลงไปตามพื้นที่ดั้งเดิมในกระบวนการที่เรียกว่าการขยายพื้นที่หรือ การขยายผิวเผิน เช่นเดียวกับปริมาตรที่เปลี่ยนแปลงตามปริมาตรดั้งเดิมผ่านปริมาตร การขยาย. มิติต่างๆ เหล่านี้ช่วยให้คุณวัดการขยายตัวของของแข็งได้หลายรูปแบบ

การขยายตัวของของเหลวมีแนวโน้มที่จะอยู่ในรูปของภาชนะมากกว่า ดังนั้นคุณสามารถใช้การขยายตามปริมาตรเพื่ออธิบายสิ่งนี้ได้ ค่าสัมประสิทธิ์เชิงเส้นของการขยายตัวทางความร้อนสำหรับของแข็งคือαสัมประสิทธิ์ของของเหลวคือ liquidβและการขยายตัวทางความร้อนของก๊าซเป็นกฎของแก๊สในอุดมคติ

เพื่อความกดดันพี, ปริมาณวี, จำนวนโมลน, ค่าคงที่แก๊ส gasRและอุณหภูมิตู่​.