Застосування лінійного розширення в техніці

Залізниці та мости можуть потребувати компенсаторів. Не слід використовувати металеві труби для опалення гарячою водою великої, лінійної довжини. Скануючі електронні мікроскопи повинні виявляти хвилинні зміни температури, щоб змінити своє положення щодо точки фокусування. У рідинних термометрах використовується ртуть або спирт, тому вони течуть лише в одному напрямку, оскільки рідина розширюється внаслідок перепадів температури. Кожен із цих прикладів демонструє, як матеріали розширюються в довжину при нагріванні.

TL; ДР (занадто довгий; Не читав)

Лінійне розширення твердої речовини за зміни температури може бути виміряне за допомогою Δℓ / ℓ = αΔT і має застосування в способах розширення та стиснення твердих речовин у повсякденному житті. Деформація, яку зазнає об'єкт, має наслідки в техніці при встановленні об'єктів між собою.

Коли твердий матеріал розширюється у відповідь на підвищення температури (термічне розширення), він може збільшуватися в довжину в процесі, відомому як лінійне розширення.

Для твердої речовини довжиною ℓ можна виміряти різницю довжини ℓℓ через зміну температури ΔT, щоб визначити α, коефіцієнт теплового розширення твердої речовини за рівнянням:

для прикладу застосування розширення та скорочення.

Однак це рівняння передбачає незначну зміну тиску при незначній дробовій зміні довжини. Це відношення Δℓ / ℓ також відоме як деформація матеріалу, що позначається як ϵ_{тепловий}. Деформація, реакція матеріалу на стрес, може спричинити його деформацію.

Ви можете використовувати коефіцієнти лінійного розширення Engineering Toolbox, щоб визначити швидкість розширення матеріалу пропорційно кількості цього матеріалу. Це може сказати вам, наскільки матеріал розширюється залежно від того, скільки цього матеріалу у вас є, а також скільки змін температури ви застосовуєте для застосування розширення у фізиці.

Якщо ви хочете відкрити щільну банку, ви можете пропустити її під гарячою водою, щоб трохи розширити кришку та полегшити її відкриття. Це тому, що коли речовини, такі як тверді речовини, рідини чи гази, нагріваються, їх середнє значенняпіднімається молекулярна кінетична енергія. Середня енергія атомів, що вібрують у матеріалі, зростає. Це збільшує поділ між атомами та молекулами, що змушує матеріал розширюватися.

Хоча це може спричинити фазові зміни, такі як танення льоду до води, теплове розширення, як правило, є більш прямим результатом підвищення температури. Для опису цього ви використовуєте лінійний коефіцієнт теплового розширення.

Матеріали можуть розширюватися або стискатися у відповідь на ці хімічні зміни, що спричиняє масштабні зміни розміру ці дрібномасштабні хімічні та термодинамічні процеси приблизно так само, як мости та будівлі можуть розширюватися в екстремальних умовах тепло. В техніці можна виміряти зміну довжини твердої речовини внаслідок теплового розширення.

​Анізотропний матеріалs, ті, що змінюються за своєю суттю в різних напрямках, можуть мати різні коефіцієнти лінійного розширення залежно від напрямку. У цих випадках ви можете використовувати тензори, щоб описати теплове розширення як тензор, матрицю, що описує коефіцієнт теплового розширення в кожному напрямку: x, y та z.

​Полікристалічнийматеріали, що складають скло з майже нульовим мікроскопічним коефіцієнтом теплового розширення, дуже корисні для вогнетривів, таких як печі та спалювальні фабрики. Тензори можуть описати ці коефіцієнти, враховуючи різні напрямки лінійного розширення в цих анізотропних матеріалах.

Кордієрит, силікатна речовина, що має один позитивний коефіцієнт теплового розширення і один негативний, означає, що його тензор описує зміну об’єму, по суті, нульову. Це робить його ідеальною речовиною для вогнетривів.

Норвезький археолог висунув теорію, що вікінги використовували теплове розширення Росіїкордієритщоб допомогти їм орієнтуватися в морях століття тому. В Ісландії з великими прозорими монокристалами кордієриту використовували сонячні камені з кордієриту, які могли поляризувати світло в певному напрямку лише в певних орієнтаціях кристала, щоб дозволити їм рухатися похмуро, похмурі дні. Оскільки кристали розширювались у довжину навіть при низькому коефіцієнті теплового розширення, вони виявляли яскравий колір.

Інженери повинні враховувати, як об’єкти розширюються та стискаються, проектуючи споруди, такі як будівлі та мости. При вимірюванні відстаней для обстеження земель або проектуванні форм і контейнерів для гарячих матеріалів вони повинні врахувати, наскільки земля або склянка можуть розширитися у відповідь на зміну їх температури досвід.

​Термостатипокладаються на біметалеві смуги з двох різних тонких смуг металів, розміщених одна на іншій, тому одна розширюється набагато значніше, ніж інша, внаслідок зміни температури. Це призводить до того, що смуга згинається, і, коли це відбувається, вона замикає петлю електричного кола.

Це призводить до запуску кондиціонера, і, змінюючи значення термостата, змінюється відстань між смужкою для закриття контуру. Коли зовнішня температура досягає бажаного значення, метал стискається, щоб розімкнути контур і зупинити роботу кондиціонера. Це одне з багатьох прикладів використання розширення та скорочення.

При попередньому нагріванні металевих компонентів від 150 ° C до 300 ° C вони розширюються, тому їх можна вставити в інший відсік - процес, відомий як індукційна термоусадочна арматура. Методи UltraFlex Power Technologies передбачають індукційну термоусадочну фіксацію тефлонової ізоляції на дроті шляхом нагрівання труби з нержавіючої сталі до 350 ° C за допомогою індукційної котушки.

Теплове розширення може бути використано для вимірювання насичення твердими речовинами газів та рідин, які вони поглинають з часом. Ви можете встановити експеримент для вимірювання довжини висушеного блоку до і після того, як дати йому ввібрати воду з часом. Зміна довжини може дати тепловий коефіцієнт розширення. Це застосовується на практиці при визначенні того, як будівлі з часом розширюються під впливом повітря.

Коефіцієнти лінійного теплового розширення змінюються як обернена до температури плавлення цієї речовини. Матеріали з вищими температурами плавлення мають нижчі коефіцієнти лінійного теплового розширення. Ці цифри коливаються приблизно від 400 K для сірки до приблизно 3700 для вольфраму.

Коефіцієнт теплового розширення також змінюється залежно від температури самого матеріалу (зокрема, чи була температура склування схрещені), структура і форма матеріалу, будь-які добавки, що беруть участь в експерименті, та потенційне зшивання між полімерами речовина.

​Аморфні полімери, без кристалічних структур, як правило, мають нижчі коефіцієнти теплового розширення, ніж напівкристалічні. Серед скла натрієво-кальцієво-оксидне кремнієве скло або натрієво-вапняне силікатне скло має досить низький коефіцієнт 9, де боросилікатне скло, яке використовується для виготовлення скляних предметів, становить 4,5.

Теплове розширення змінюється в залежності від твердих речовин, рідин та газів. Тверді речовини зазвичай зберігають форму, якщо вони не обмежені контейнером. Вони розширюються, коли їх площа змінюється відносно початкової площі в процесі, який називається ареальним розширенням або поверхневе розширення, а також зміна їх обсягу відносно початкового обсягу за допомогою об'ємного розширення. Ці різні розміри дозволяють вимірювати розширення твердих речовин у багатьох формах.

Розширення рідини набагато частіше приймає форму контейнера, тому ви можете використати об'ємне розширення для пояснення цього. Лінійний коефіцієнт теплового розширення для твердих речовин становитьα, коефіцієнт для рідин становитьβа теплове розширення газів є законом ідеального газу

для тискуP, обсягV, кількість родимокп, газова постійнаРі температуриТ​.