Lineer Genişletmenin Mühendislikte Uygulanması

Demiryolları ve köprüler genleşme derzlerine ihtiyaç duyabilir. Metal sıcak su ısıtma boruları uzun, doğrusal uzunluklarda kullanılmamalıdır. Taramalı elektronik mikroskopların, odak noktalarına göre konumlarını değiştirmek için sıcaklıktaki çok küçük değişiklikleri algılaması gerekir. Sıvı termometreler cıva veya alkol kullanır, bu nedenle sıcaklık değişimleri nedeniyle sıvı genişledikçe yalnızca bir yönde akarlar. Bu örneklerin her biri, malzemelerin ısı altında nasıl uzunluk olarak genişlediğini gösterir.

TL; DR (Çok Uzun; Okumadım)

Sıcaklıktaki bir değişiklik altında bir katının lineer genleşmesi Δℓ/ℓ = αΔT kullanılarak ölçülebilir ve katıların günlük yaşamda genişleme ve büzülme şekillerinde uygulamaları vardır. Nesnelerin maruz kaldığı gerilim, nesneleri birbirine uydururken mühendislikte önemli sonuçlar doğurur.

Katı malzeme sıcaklıktaki bir artışa (termal genleşme) tepki olarak genişlediğinde, lineer genleşme olarak bilinen bir süreçte uzunluğu artabilir.

ℓ uzunluğundaki bir katı için, ΔT sıcaklığındaki bir değişiklik nedeniyle Δℓ uzunluğundaki farkı ölçebilir ve α'yı, katının termal genleşme katsayısını denkleme göre belirleyebilirsiniz:

Örnek bir genişleme ve daralma uygulaması için.

Ancak bu denklem, uzunluktaki küçük bir kesirli değişiklik için basınçtaki değişikliğin ihmal edilebilir olduğunu varsayar. Bu Δℓ/ℓ oranı, material olarak gösterilen malzeme gerinimi olarak da bilinir._termal. Gerilme, bir malzemenin strese tepkisi, onun deforme olmasına neden olabilir.

Bir malzemenin genleşme oranını o malzemenin miktarıyla orantılı olarak belirlemek için Mühendislik Araç Kutusunun Doğrusal Genişleme Katsayılarını kullanabilirsiniz. Fizikte bir genişleme uygulaması için ne kadar sıcaklıkta bir değişiklik uyguladığınızın yanı sıra, o malzemenin ne kadarına sahip olduğunuza bağlı olarak bir malzemenin ne kadar genişlediğini size söyleyebilir.

Sıkı bir kavanoz açmak istiyorsanız, kapağını biraz genişletip açılmasını kolaylaştırmak için sıcak su altında çalıştırabilirsiniz. Bunun nedeni, katılar, sıvılar veya gazlar gibi maddeler ısıtıldığında ortalamalarınınmoleküler kinetik enerji yükselir. Malzeme içinde titreşen atomların ortalama enerjisi artar. Bu, malzemenin genişlemesini sağlayan atomlar ve moleküller arasındaki ayrımı arttırır.

Bu, buzun suya erimesi gibi faz değişikliklerine neden olabilirken, termal genleşme genellikle sıcaklıktaki artışın daha doğrudan bir sonucudur. Bunu açıklamak için doğrusal termal genleşme katsayısını kullanırsınız.

Malzemeler, bu kimyasal değişikliklere tepki olarak genişleyebilir veya büzülebilir ve boyut olarak büyük ölçekli bir değişiklik meydana getirebilir. bu küçük ölçekli kimyasal ve termodinamik süreçler, tıpkı köprüler ve binalar gibi aşırı koşullar altında genişleyebilir. sıcaklık. Mühendislikte, termal genleşme nedeniyle katı bir maddenin uzunluğundaki değişimi ölçebilirsiniz.

​anizotropik malzemeFarklı yönler arasında özleri değişen s'ler, yöne bağlı olarak farklı doğrusal genleşme katsayılarına sahip olabilir. Bu durumlarda, termal genleşmeyi bir tensör, her yöndeki termal genleşme katsayısını tanımlayan bir matris olarak tanımlamak için tensörler kullanabilirsiniz: x, y ve z.

​polikristalsıfıra yakın mikroskobik termal genleşme katsayılarına sahip camı oluşturan malzemeler, fırınlar ve yakma fırınları gibi refrakterler için çok kullanışlıdır. Tensörler, bu anizotropik malzemelerde farklı doğrusal genişleme yönlerini hesaba katarak bu katsayıları tanımlayabilir.

Bir pozitif termal genleşme katsayısına ve bir negatif olana sahip bir silikat malzeme olan kordierit, tensörünün esasen sıfır olan bir hacim değişimini tanımladığı anlamına gelir. Bu onu refrakterler için ideal bir madde yapar.

Norveçli bir arkeolog, Vikinglerin termal genleşmeyi kullandığını öne sürdü.kordiyerityüzyıllar önce denizlerde gezinmelerine yardımcı olmak için. İzlanda'da, büyük, şeffaf tek kordiyerit kristalleri ile, kordiyeritten yapılmış güneş taşları kullandılar. Bulutlu havada gezinmelerine izin vermek için ışığı yalnızca kristalin belirli yönlerinde belirli bir yönde polarize edin, bulutlu günler Kristaller, düşük bir termal genleşme katsayısı ile bile uzunluk olarak genişleyeceğinden, parlak bir renk gösterdiler.

Mühendisler, binalar ve köprüler gibi yapıları tasarlarken nesnelerin nasıl genişlediğini ve daraldığını düşünmelidir. Arazi araştırmaları için mesafeleri ölçerken veya sıcak malzemeler için kalıp ve kaplar tasarlarken, Dünyanın veya bir camın sıcaklık değişimlerine tepki olarak ne kadar genişleyebileceğini hesaba katarlar. deneyim.

​termostatlarüst üste yerleştirilmiş iki farklı ince metal şeridin bimetalik şeritlerine dayanır, bu nedenle sıcaklıktaki değişiklikler nedeniyle biri diğerinden çok daha fazla genişler. Bu, şeridin bükülmesine neden olur ve büküldüğünde, bir elektrik devresinin döngüsünü kapatır.

Bu, klimanın çalışmasına neden olur ve termostatın değerlerini değiştirerek devreyi kapatmak için şerit arasındaki mesafe değişir. Dış sıcaklık istenilen değere ulaştığında metal büzülerek devreyi açar ve klimayı durdurur. Bu, genişleme ve daralmanın birçok örnek kullanımından biridir.

Metal bileşenler 150°C ile 300°C arasında ön ısıtıldığında genleşirler, böylece başka bir bölmeye yerleştirilebilirler, bu işlem indüksiyonlu daralan makaron olarak bilinir. UltraFlex Power Technologies'in yöntemleri, bir paslanmaz çelik boruyu bir indüksiyon bobini kullanarak 350°C'ye ısıtarak bir tel üzerine indüksiyonlu büzüşmeli Teflon yalıtımı içerir.

Termal genleşme, zamanla emdiği gazlar ve sıvılar arasındaki katıların doygunluğunu ölçmek için kullanılabilir. Zaman içinde suyu emmesine izin vermeden önce ve sonra kurumuş bir bloğun uzunluğunu ölçmek için bir deney ayarlayabilirsiniz. Uzunluktaki değişiklik, termal genleşme katsayısını verebilir. Bu, binaların havaya maruz kaldığında zamanla nasıl genişlediğini belirlemede pratik kullanım sağlar.

Doğrusal termal genleşme katsayıları, o maddenin erime noktasının tersi olarak değişir. Daha yüksek erime noktalarına sahip malzemeler daha düşük doğrusal termal genleşme katsayılarına sahiptir. Rakamlar kükürt için yaklaşık 400 K'dan tungsten için yaklaşık 3.700'e kadar değişir.

Termal genleşme katsayısı aynı zamanda malzemenin kendi sıcaklığına göre de değişir (özellikle cam geçiş sıcaklığının çapraz), malzemenin yapısı ve şekli, deneyde yer alan herhangi bir katkı maddesi ve polimerler arasındaki potansiyel çapraz bağlanma madde.

​amorf polimerlerkristal yapıları olmayanlar, yarı kristalli olanlara göre daha düşük termal genleşme katsayılarına sahip olma eğilimindedir. Cam arasında, sodyum kalsiyum silikon oksit camı veya soda-kireç silikat camı, cam nesneleri yapmak için kullanılan borosilikat camın 4.5 olduğu oldukça düşük bir 9 katsayısına sahiptir.

Termal genleşme katılar, sıvılar ve gazlar arasında değişir. Katılar, bir kap tarafından kısıtlanmadıkça genellikle şekillerini korurlar. Alan genişlemesi adı verilen bir süreçte alanları orijinal alanlarına göre değiştikçe genişlerler veya yüzeysel genişleme ve hacimsel olarak orijinal hacme göre hacimlerinin değişmesi genişleme. Bu farklı boyutlar, birçok biçimde katıların genişlemesini ölçmenizi sağlar.

Sıvı genleşmesinin kabın şeklini alması çok daha olasıdır, bu nedenle bunu açıklamak için hacimsel genişlemeyi kullanabilirsiniz. Katılar için lineer termal genleşme katsayısıα, sıvılar için katsayıβve gazların termal genleşmesi ideal gaz yasasıdır

basınç içinP, SesV, mol sayısın, Gaz sabiti$ve sıcaklıkT​.