Тепловое расширение

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Тепловое расширение»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( сентябрь 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение-шаблон )

Термодинамика
Классический тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистическая Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесие
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Закрытая система Изолированная система Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Фаза (материя) Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсивом Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / энтропия  ( введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / число частиц Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Сжимаемость  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Тепловое расширение  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Онсагер взаимные отношения Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Возможности Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${\displaystyle U(S,V)}$ Энтальпия ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации " Экспериментальное исследование ... тепла " « О равновесии неоднородных веществ » « Размышления о движущей силе огня » Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Другой Зарождение Самостоятельная сборка Самоорганизация Порядок и беспорядок
Книга Категория
v т е

Тепловое расширение - это тенденция вещества изменять свою форму , площадь , объем и плотность в ответ на изменение температуры , обычно не включая фазовые переходы . ^[1]

Температура - это монотонная функция средней молекулярной кинетической энергии вещества. Когда вещество нагревается, молекулы начинают больше вибрировать и двигаться, обычно увеличивая расстояние между собой. Вещества, которые сокращаются при повышении температуры, необычны и встречаются только в ограниченном температурном диапазоне (см. Примеры ниже). Относительное расширение (также называемое деформацией ), деленное на изменение температуры, называется коэффициентом линейного теплового расширения материала и обычно зависит от температуры. По мере увеличения энергии в частицах они начинают двигаться все быстрее и быстрее, ослабляя межмолекулярные силы между ними, тем самым расширяя вещество.

Обзор [ править ]

Прогнозирование расширения [ править ]

Если уравнение состояния доступно, его можно использовать для прогнозирования значений теплового расширения при всех требуемых температурах и давлениях , а также для многих других функций состояния .

Эффекты сжатия (отрицательное тепловое расширение) [ править ]

Ряд материалов заключает договор на нагрев в определенных диапазонах температур; это обычно называется отрицательным тепловым расширением , а не термическим сжатием. Например, коэффициент теплового расширения воды падает до нуля, когда она охлаждается до 3,983 ° C, а затем становится отрицательным ниже этой температуры; это означает, что вода имеет максимальную плотность при этой температуре, и это приводит к тому, что водоемы поддерживают эту температуру на своих более низких глубинах в течение длительных периодов отрицательной погоды. Кроме того, довольно чистый кремний имеет отрицательный коэффициент теплового расширения для температур от 18 до 120 кельвинов . ^[2]

Факторы, влияющие на тепловое расширение [ править ]

В отличие от газов или жидкостей твердые материалы, как правило, сохраняют свою форму при тепловом расширении.

Тепловое расширение обычно уменьшается с увеличением энергии связи , что также влияет на температуру плавления твердых тел, поэтому материалы с высокой температурой плавления с большей вероятностью будут иметь более низкое тепловое расширение. Как правило, жидкости расширяются немного больше, чем твердые тела. Тепловое расширение стекол выше, чем у кристаллов. ^[3] При температуре стеклования перегруппировки, которые происходят в аморфном материале, приводят к характерным разрывам коэффициента теплового расширения и удельной теплоемкости. Эти неоднородности позволяют определять температуру стеклования, при которой переохлажденная жидкость превращается в стекло. ^[4]

Поглощение или десорбция воды (или других растворителей) может изменить размер многих обычных материалов; многие органические материалы изменяют размер гораздо больше из-за этого эффекта, чем из-за теплового расширения. Обычные пластмассы, подвергающиеся воздействию воды, в долгосрочной перспективе могут расширяться на многие проценты.

Влияние на плотность [ править ]

Тепловое расширение изменяет пространство между частицами вещества, что изменяет объем вещества, незначительно изменяя его массу (пренебрежимо малое количество происходит из эквивалентности энергии и массы ), тем самым изменяя его плотность, что влияет на любые выталкивающие силы, действующие на Это. Это играет решающую роль в конвекции неравномерно нагретых жидких масс, в частности, делая тепловое расширение частично ответственным за ветер и океанские течения .

Коэффициент теплового расширения [ править ]

Коэффициент теплового расширения описывает , как размер объекта изменяется с изменением температуры. В частности, он измеряет частичное изменение размера на градус изменения температуры при постоянном давлении, так что более низкие коэффициенты описывают меньшую склонность к изменению размера. Разработано несколько типов коэффициентов: объемные, площадные и линейные. Выбор коэффициента зависит от конкретного применения и от того, какие размеры считаются важными. Для твердых тел можно беспокоиться только об изменении по длине или по некоторой области.

Коэффициент объемного теплового расширения является самым основным коэффициентом теплового расширения и наиболее актуален для жидкостей. Как правило, вещества расширяются или сжимаются при изменении их температуры, причем расширение или сжатие происходит во всех направлениях. Вещества, которые расширяются с одинаковой скоростью во всех направлениях, называются изотропными . Для изотропных материалов площадь и объемный коэффициент теплового расширения соответственно примерно в два и три раза больше, чем коэффициент линейного теплового расширения.

Математические определения этих коэффициентов приведены ниже для твердых тел, жидкостей и газов.

Общий коэффициент теплового расширения [ править ]

В общем случае газа, жидкости или твердого тела объемный коэффициент теплового расширения определяется выражением

${\displaystyle \alpha =\alpha _{\text{V}}={\frac {1}{V}}\,\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)_{\mathrm {p} }}$

Нижний индекс «p» перед производной указывает, что давление поддерживается постоянным во время расширения, а нижний индекс V подчеркивает, что это объемное (а не линейное) расширение входит в это общее определение. В случае газа важен тот факт, что давление поддерживается постоянным, потому что объем газа будет заметно меняться в зависимости от давления, а также температуры. Для газа низкой плотности это видно из идеального газа.

Расширение в твердых телах [ править ]

При расчете теплового расширения необходимо учитывать, может ли тело расширяться или ограничено. Если тело может свободно расширяться, расширение или деформацию, возникающую в результате повышения температуры, можно просто рассчитать, используя применимый коэффициент теплового расширения.

Если тело ограничено так, что оно не может расширяться, внутреннее напряжение будет вызвано (или изменено) изменением температуры. Это напряжение может быть рассчитано с учетом деформации, которая возникла бы, если бы тело могло свободно расширяться, и напряжения, необходимого для уменьшения этой деформации до нуля, через соотношение напряжение / деформация, характеризующееся упругостью или модулем Юнга . В частном случае твердых материалов внешнее давление окружающей среды обычно не оказывает заметного влияния на размер объекта, поэтому обычно нет необходимости учитывать влияние изменений давления.

Обычные технические твердые тела обычно имеют коэффициенты теплового расширения, которые существенно не изменяются в диапазоне температур, в котором они предназначены для использования, поэтому там, где не требуется чрезвычайно высокая точность, практические расчеты могут быть основаны на постоянном, среднем значении коэффициент расширения.

Линейное расширение [ править ]

Линейное расширение означает изменение одного измерения (длины) в отличие от изменения объема (объемное расширение). В первом приближении изменение длины объекта из-за теплового расширения связано с изменением температуры с помощью коэффициента линейного теплового расширения (CLTE). Это частичное изменение длины на градус изменения температуры. Предполагая незначительное влияние давления, мы можем написать:

${\displaystyle \alpha _{L}={\frac {1}{L}}\,{\frac {dL}{dT}}}$

где - конкретное измерение длины и - скорость изменения этого линейного размера на единицу изменения температуры.${\displaystyle L}$${\displaystyle dL/dT}$

Изменение линейного размера можно оценить как:

${\displaystyle {\frac {\Delta L}{L}}=\alpha _{L}\Delta T}$

Эта оценка работает хорошо, пока коэффициент линейного расширения не сильно меняется при изменении температуры , а относительное изменение длины невелико . Если какое- либо из этих условий не выполняется, необходимо интегрировать точное дифференциальное уравнение (с использованием ).${\displaystyle \Delta T}$${\displaystyle \Delta L/L\ll 1}$${\displaystyle dL/dT}$

Влияние на деформацию [ править ]

Для твердых материалов значительной длины, таких как стержни или кабели, оценка степени теплового расширения может быть описана деформацией материала , заданной и определяемой как:${\displaystyle \epsilon _{\mathrm {thermal} }}$

${\displaystyle \epsilon _{\mathrm {thermal} }={\frac {(L_{\mathrm {final} }-L_{\mathrm {initial} })}{L_{\mathrm {initial} }}}}$

где - длина до изменения температуры, а - длина после изменения температуры.${\displaystyle L_{\mathrm {initial} }}$${\displaystyle L_{\mathrm {final} }}$

Для большинства твердых тел тепловое расширение пропорционально изменению температуры:

${\displaystyle \epsilon _{\mathrm {thermal} }\propto \Delta T}$

Таким образом, изменение деформации или температуры можно оценить следующим образом:

${\displaystyle \epsilon _{\mathrm {thermal} }=\alpha _{L}\Delta T}$

куда

${\displaystyle \Delta T=(T_{\mathrm {final} }-T_{\mathrm {initial} })}$

представляет собой разность температур между двумя зарегистрированными деформациями, измеряемую в градусах Фаренгейта , градусах Ренкина , градусах Цельсия или кельвинах , и представляет собой линейный коэффициент теплового расширения в «на градус Фаренгейта», «на градус Ренкина», «на градус Цельсия »или« на кельвин », обозначаемых как ° F ^-1 , R ^-1 , ° C ^-1 или K ^-1 , соответственно. В области механики сплошных сред тепловое расширение и его эффекты рассматриваются как собственные деформации и собственные напряжения.${\displaystyle \alpha _{L}}$

Расширение области [ править ]

Коэффициент теплового расширения площади связывает изменение размеров площади материала с изменением температуры. Это относительное изменение площади на градус изменения температуры. Не обращая внимания на давление, мы можем написать:

${\displaystyle \alpha _{A}={\frac {1}{A}}\,{\frac {dA}{dT}}}$

где - некоторая интересующая область на объекте, а - скорость изменения этой площади на единицу изменения температуры.${\displaystyle A}$${\displaystyle dA/dT}$

Изменение площади можно оценить как:

${\displaystyle {\frac {\Delta A}{A}}=\alpha _{A}\Delta T}$

Это уравнение работает хорошо, пока коэффициент расширения площади не сильно меняется при изменении температуры , а относительное изменение площади невелико . Если какое-либо из этих условий не выполняется, уравнение необходимо проинтегрировать.${\displaystyle \Delta T}$${\displaystyle \Delta A/A\ll 1}$

Увеличение объема [ править ]

Для твердого тела мы можем игнорировать влияние давления на материал, и объемный коэффициент теплового расширения можно записать: ^[5]

${\displaystyle \alpha _{V}={\frac {1}{V}}\,{\frac {dV}{dT}}}$

где - объем материала, а - скорость изменения этого объема с температурой.${\displaystyle V}$${\displaystyle dV/dT}$

Это означает, что объем материала изменяется на некоторую фиксированную дробную величину. Например, стальной блок объемом 1 кубический метр может расшириться до 1,002 кубических метра при повышении температуры на 50 К. Это расширение на 0,2%. Если бы у нас был стальной блок объемом 2 кубометра, то при тех же условиях он расширился бы до 2,004 кубических метра, опять же на 0,2%. Коэффициент объемного расширения будет 0,2% для 50 К, или 0,004% K ^-1 .

Если мы уже знаем коэффициент расширения, то можем рассчитать изменение объема

${\displaystyle {\frac {\Delta V}{V}}=\alpha _{V}\Delta T}$

где - относительное изменение объема (например, 0,002), а - изменение температуры (50 ° C).${\displaystyle \Delta V/V}$${\displaystyle \Delta T}$

В приведенном выше примере предполагается, что коэффициент расширения не изменился при изменении температуры, а увеличение объема небольшое по сравнению с исходным объемом. Это не всегда верно, но для небольших изменений температуры это хорошее приближение. Если коэффициент объемного расширения действительно заметно изменяется с температурой или увеличение объема является значительным, то приведенное выше уравнение необходимо интегрировать:

${\displaystyle \ln \left({\frac {V+\Delta V}{V}}\right)=\int _{T_{i}}^{T_{f}}\alpha _{V}(T)\,dT}$

${\displaystyle {\frac {\Delta V}{V}}=\exp \left(\int _{T_{i}}^{T_{f}}\alpha _{V}(T)\,dT\right)-1}$

где - коэффициент объемного расширения как функция температуры T , а , - начальная и конечная температуры соответственно.${\displaystyle \alpha _{V}(T)}$${\displaystyle T_{i}}$${\displaystyle T_{f}}$

Изотропные материалы [ править ]

Для изотропных материалов коэффициент объемного теплового расширения в три раза больше линейного коэффициента:

${\displaystyle \alpha _{V}=3\alpha _{L}}$

Это соотношение возникает из-за того, что объем состоит из трех взаимно ортогональных направлений. Таким образом, в изотропном материале при небольших дифференциальных изменениях одна треть объемного расширения приходится на одну ось. В качестве примера возьмем куб из стали , которая имеет стороны длиной L . Исходный объем будет, а новый объем после повышения температуры будет${\displaystyle V=L^{3}}$

${\displaystyle V+\Delta V=(L+\Delta L)^{3}=L^{3}+3L^{2}\Delta L+3L\Delta L^{2}+\Delta L^{3}\approx L^{3}+3L^{2}\Delta L=V+3V{\Delta L \over L}.}$

Мы можем легко игнорировать эти члены, поскольку изменение L - это небольшая величина, которая при возведении в квадрат становится намного меньше.

Так

${\displaystyle {\frac {\Delta V}{V}}=3{\Delta L \over L}=3\alpha _{L}\Delta T.}$

Приведенное выше приближение справедливо для малых изменений температуры и размеров (то есть, когда и малы); но это неверно, если мы пытаемся перемещаться между объемными и линейными коэффициентами, используя большие значения . В этом случае необходимо учитывать третий член (а иногда даже четвертый член) в приведенном выше выражении.${\displaystyle \Delta T}$${\displaystyle \Delta L}$${\displaystyle \Delta T}$

Точно так же коэффициент теплового расширения площади в два раза больше линейного коэффициента:

${\displaystyle \alpha _{A}=2\alpha _{L}}$

Это соотношение может быть найдено аналогично тому, как в приведенном выше линейном примере, с учетом того, что площадь грани на кубе равна справедливой . Кроме того, те же соображения необходимо учитывать при работе с большими значениями .${\displaystyle L^{2}}$${\displaystyle \Delta T}$

Проще говоря, если длина твердого тела увеличивается с 1 м до 1,01 м, то площадь увеличивается с 1 м ² до 1,0201 м ^2, а объем увеличивается с 1 м ³ до 1,030301 м ³ .

Анизотропные материалы [ править ]

Материалы с анизотропной структурой, такие как кристаллы (с менее кубической симметрией, например мартенситные фазы) и многие композиты , как правило, будут иметь разные коэффициенты линейного расширения в разных направлениях. В результате общее объемное расширение распределяется по трем осям неравномерно. Если симметрия кристалла моноклинная или триклинная, даже углы между этими осями подвержены тепловым изменениям. В таких случаях необходимо рассматривать коэффициент теплового расширения как тензор, содержащий до шести независимых элементов. Хороший способ определить элементы тензора - изучить расширение методом дифракции рентгеновских лучей на порошке.${\displaystyle \alpha _{L}}$. Тензор коэффициента теплового расширения для материалов, обладающих кубической симметрией (например, FCC, BCC), изотропен. ^[6]

Изобарическое расширение в газах [ править ]

Для идеального газа объемное тепловое расширение (т. Е. Относительное изменение объема из-за изменения температуры) зависит от типа процесса, в котором изменяется температура. Два простых случая - постоянное давление ( изобарический процесс ) и постоянный объем ( изохорный процесс ).

Производная закона идеального газа , является${\displaystyle pV=T}$

${\displaystyle pdV+Vdp=dT}$

где - давление, - удельный объем, - температура, измеренная в единицах энергии .${\displaystyle p}$${\displaystyle V}$${\displaystyle T}$

По определению изобарного теплового расширения имеем , так что , и коэффициент изобарного теплового расширения равен:${\displaystyle dp=0}$${\displaystyle pdV=dT}$

${\displaystyle \alpha _{p}\equiv {\frac {1}{V}}\left({\frac {dV}{dT}}\right)={\frac {1}{V}}\left({\frac {1}{p}}\right)={\frac {1}{pV}}={\frac {1}{T}}}$.

Точно так же, если объем остается постоянным, то есть если мы имеем , так что коэффициент изохорного теплового расширения равен${\displaystyle dV=0}$${\displaystyle Vdp=dT}$

${\displaystyle \alpha _{V}\equiv {\frac {1}{p}}\left({\frac {dp}{dT}}\right)={\frac {1}{p}}\left({\frac {1}{V}}\right)={\frac {1}{pV}}={\frac {1}{T}}}$.

Расширение в жидкостях [ править ]

Теоретически коэффициент линейного расширения можно найти из коэффициента объемного расширения ( α _V  ≈ 3 α _L ). Для жидкостей, α _L рассчитывается путем экспериментального определения & alpha ; _V . Жидкости, в отличие от твердых тел, не имеют определенной формы и принимают форму емкости. Следовательно, жидкости не имеют определенной длины и площади, поэтому линейные и площадные расширения жидкостей не имеют значения.

Жидкости вообще расширяются при нагревании. Однако вода является исключением из этого общего поведения: ниже 4 ° C она сжимается при нагревании. При более высокой температуре он показывает нормальное положительное тепловое расширение. Тепловое расширение жидкостей обычно выше, чем у твердых тел из-за слабых межмолекулярных сил, присутствующих в жидкостях.

Тепловое расширение твердых тел обычно мало зависит от температуры, за исключением низких температур, тогда как жидкости расширяются с разной скоростью при разных температурах.

Видимое и абсолютное расширение жидкости [ править ]

Расширение жидкостей обычно измеряется в емкости. Когда жидкость расширяется в сосуде, сосуд расширяется вместе с жидкостью. Следовательно, наблюдаемое увеличение объема уровня жидкости не является фактическим увеличением его объема. Расширение жидкости относительно емкости называется ее кажущимся расширением , в то время как фактическое расширение жидкости называется реальным расширением или абсолютным расширением . Отношение видимого увеличения объема жидкости на единицу повышения температуры к первоначальному объему называется ее коэффициентом кажущегося расширения .

При небольшом и равном повышении температуры увеличение объема (реальное расширение) жидкости равно сумме кажущегося увеличения объема (кажущегося расширения) жидкости и увеличения объема вмещающего сосуда. Таким образом, жидкость имеет два коэффициента расширения.

Измерение расширения жидкости также должно учитывать расширение емкости. Например, когда колба с длинным узким стержнем, содержащим достаточно жидкости, чтобы частично заполнить сам стержень, помещается в тепловую баню, высота столба жидкости в стержне сначала падает, а затем сразу же поднимается на эту высоту. пока вся система колба, жидкость и тепловая баня не прогреется. Первоначальное падение высоты столба жидкости происходит не из-за начального сжатия жидкости, а, скорее, из-за расширения колбы, когда она первой контактирует с термостатом. Вскоре после этого жидкость в колбе нагревается самой колбой и начинает расширяться. Поскольку жидкости обычно имеют большее расширение по сравнению с твердыми частицами, расширение жидкости в колбе в конечном итоге превышает расширение колбы,вызывая повышение уровня жидкости в колбе. Прямое измерение высоты столба жидкости - это измерение кажущегося расширения жидкости. ВАбсолютное расширение жидкости - это кажущееся расширение, скорректированное с учетом расширения вмещающего резервуара. ^[7]

Примеры и приложения [ править ]

Расширение и сжатие материалов необходимо учитывать при проектировании больших конструкций, при использовании ленты или цепи для измерения расстояний для геодезических изысканий, при проектировании форм для разливки горячего материала и в других инженерных приложениях, когда ожидаются большие изменения размеров из-за температуры. .

Тепловое расширение также используется в механических приложениях для установки деталей друг на друга, например, на вал можно установить втулку, сделав ее внутренний диаметр немного меньше диаметра вала, затем нагревая ее до тех пор, пока она не войдет на вал, и допустите он остынет после того, как его надели на вал, таким образом достигнув «горячей посадки». Индукционная термоусадочная муфта - это распространенный промышленный метод предварительного нагрева металлических компонентов от 150 ° C до 300 ° C, в результате чего они расширяются и позволяют вставить или удалить другой компонент.

Существуют сплавы с очень малым коэффициентом линейного расширения, используемые в приложениях, требующих очень малых изменений физических размеров в диапазоне температур. Один из них - инвар 36, с расширением приблизительно равным 0,6 × 10 ^{- 6} K ⁻¹ . Эти сплавы используются в аэрокосмической отрасли, где могут возникать большие колебания температуры.

Аппарат Пуллингера используется для определения линейного расширения металлического стержня в лаборатории. Аппарат состоит из закрытого с обоих концов металлического цилиндра (называемого паровой рубашкой). Он снабжен входом и выходом для пара. Пар для нагрева стержня подается от бойлера, который соединен резиновой трубкой со входом. В центре цилиндра есть отверстие для термометра. Исследуемый стержень заключен в паровую рубашку. Один его конец свободен, а другой конец прижат к неподвижному винту. Положение стержня определяется микрометрическим винтом или сферометром .

Чтобы определить коэффициент линейного теплового расширения металла, трубу из этого металла нагревают, пропуская через нее пар. Один конец трубы надежно закреплен, а другой опирается на вращающийся вал, движение которого указывается стрелкой. Подходящий термометр регистрирует температуру трубы. Это позволяет рассчитать относительное изменение длины на градус изменения температуры.

Контроль теплового расширения в хрупких материалах является ключевой задачей по целому ряду причин. Например, как стекло, так и керамика являются хрупкими, и неравномерная температура вызывает неравномерное расширение, которое снова вызывает термическое напряжение, что может привести к разрушению. Керамику необходимо соединять или работать вместе с широким спектром материалов, и поэтому их расширение должно соответствовать области применения. Поскольку глазури должны быть прочно прикреплены к подстилающему фарфору (или другому типу корпуса), их тепловое расширение должно быть настроено так, чтобы «соответствовать» корпусу, чтобы не возникало трещин или дрожания. Хорошим примером продуктов, тепловое расширение которых является ключом к успеху, являются CorningWare и свечи зажигания.. Тепловым расширением керамических тел можно управлять путем обжига для создания кристаллических частиц, которые будут влиять на общее расширение материала в желаемом направлении. В дополнение или вместо этого в составе тела могут использоваться материалы, доставляющие частицы с желаемым расширением в матрицу. Тепловое расширение глазурей контролируется их химическим составом и режимом обжига, которому они подвергались. В большинстве случаев существуют сложные проблемы, связанные с контролем расширения массы и глазури, поэтому корректировка теплового расширения должна производиться с учетом других свойств, которые будут затронуты, и, как правило, необходимы компромиссы.

Тепловое расширение может оказывать заметное влияние на бензин, хранящийся в надземных резервуарах для хранения, что может привести к тому, что бензиновые насосы будут перекачивать бензин, который может быть более сжатым, чем бензин, хранящийся в подземных резервуарах для хранения зимой, или менее сжатым, чем бензин, хранящийся в подземных резервуарах для хранения летом. ^[9]

Расширение, вызванное нагревом, необходимо учитывать в большинстве областей техники. Вот несколько примеров:

• Для окон с металлическим каркасом необходимы резиновые прокладки.
• Резиновые шины должны хорошо работать в широком диапазоне температур, будучи пассивно нагретыми или охлаждаемыми дорожными покрытиями и погодой, а также активно нагреваясь за счет механического изгиба и трения.
• Металлические трубы для водяного отопления нельзя использовать на прямых участках большой длины.
• Большие конструкции, такие как железные дороги и мосты, нуждаются в компенсационных швах в конструкциях, чтобы избежать изгиба солнечных лучей .
• Одна из причин плохой работы холодных автомобильных двигателей заключается в том, что детали имеют неэффективно большие расстояния до тех пор, пока не будет достигнута нормальная рабочая температура .
• В решетчатом маятнике используется комбинация различных металлов для поддержания более стабильной температуры длины маятника.
• Линия электропередачи в жаркий день обвисает, а в холодный - плотно. Это потому, что металлы расширяются под действием тепла.
• Компенсационные швы поглощают тепловое расширение в системе трубопроводов. ^[10]
• Точное машиностроение почти всегда требует, чтобы инженер обращал внимание на тепловое расширение продукта. Например, при использовании сканирующего электронного микроскопа небольшие изменения температуры, например, на 1 градус, могут вызвать изменение положения образца относительно точки фокусировки.
• Жидкостные термометры содержат жидкость (обычно ртуть или спирт) в трубке, которая заставляет ее течь только в одном направлении, когда ее объем увеличивается из-за изменений температуры.
• В биметаллическом механическом термометре используется биметаллическая полоса, которая изгибается из-за разного теплового расширения двух металлов.

Коэффициенты теплового расширения для различных материалов [ править ]

В этом разделе приведены коэффициенты для некоторых распространенных материалов.

Для изотропных материалов коэффициенты линейного теплового расширения α и объемного теплового расширения α _V связаны соотношением α _V  = 3 α . Для жидкостей обычно указывается коэффициент объемного расширения, и здесь для сравнения рассчитывается линейное расширение.

Для обычных материалов, таких как многие металлы и соединения, коэффициент теплового расширения обратно пропорционален температуре плавления . ^[11] В частности, для металлов это соотношение:

${\displaystyle \alpha \approx {\frac {0.020}{T_{m}}}}$

для галогенидов и оксидов

${\displaystyle \alpha \approx {\frac {0.038}{T_{m}}}-7.0\cdot 10^{-6}\,\mathrm {K} ^{-1}}$

В таблице ниже диапазон для α составляет от 10 ^-7 К ^-1 для твердых веществ до 10 ^-3 К ^-1 для органических жидкостей. Коэффициент α изменяется в зависимости от температуры, а некоторые материалы имеют очень большие отклонения; см., например, изменение в зависимости от температуры объемного коэффициента для полукристаллического полипропилена (ПП) при разном давлении и изменение линейного коэффициента в зависимости от температуры для некоторых марок стали (снизу вверх: ферритная нержавеющая сталь, мартенситная нержавеющая сталь , углеродистая сталь, дуплексная нержавеющая сталь, аустенитная сталь). Самый высокий линейный коэффициент в твердом теле был зарегистрирован для сплава Ti-Nb. ^[12]

(Для твердых тел обычно используется формула α _V  ≈ 3 α .) ^[13]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме теплового расширения .

• Тепловое расширение стекла Измерение теплового расширения, определения, расчет теплового расширения по составу стекла
• Калькулятор теплового расширения воды
• Пакет обучения и обучения DoITPoMS по тепловому расширению и полосе из двух материалов
• Engineering Toolbox - Список коэффициентов линейного расширения для некоторых распространенных материалов.
• Статья о том , как α V определяется
• MatWeb: Бесплатная база данных инженерных свойств более 79000 материалов
• Веб-сайт NIST США - Семинар по измерению температуры и размеров
• Гиперфизика: тепловое расширение
• Понимание теплового расширения в керамической глазури
• Калькуляторы теплового расширения
• Тепловое расширение с помощью калькулятора плотности