熱膨張計算機

熱膨張とは?

熱膨張は、温度変化の対象となる場合、体積変化の傾向です。 一般的に、材料は冷却時に加熱し、契約するときに拡大しますが、いくつかの注目すべき例外があります。 この現象は、最小のマイクロチップコンポーネントから大規模な橋や鉄道トラックまで、ほぼすべての物理的オブジェクトに影響を与えます。

熱膨張の背後にある科学

分子レベルでは、材料が加熱されると熱膨張が起こり、その粒子(原子と分子)は運動エネルギーを増加させ、より活発に振動します。 この増加した動きは粒子間の平均距離を増加させます。 粒子が互いに遠くに動くので、材料の全体的な寸法は増加します。

粒子間の分子間力も重要な役割を果たします。 温度が上昇するにつれて、これらの力はわずかに弱まり、分子間のより大きい分離を可能にします。 ほとんどの材料にとって、分子間の潜在的なエネルギー曲線は非対称的であり、その反発は、より広い距離で、より鋭い距離で増加することを意味します。

熱膨張の種類

3つの主要な形態の熱拡張マニフェスト:

• 線形拡張:材料の長さの変更。 線形膨張係数(α)で記述します。
• 区域の拡張:表面的な拡張とも呼ばれ、表面領域の変化を示します。 異方性材料の場合、面積膨張係数は約2倍になります。
• 容積の拡張:また、立方拡張として知られ、ボリュームの変化を測定します。 異方体材料の場合、体積増係数はリニア係数(3α)約3倍です。

マットの異なる州の拡大

エンジニアリングアプリケーションと課題

熱膨張は多数の工学含意を持っています:

• 拡張の接合箇所:橋梁、建物、パイプラインは、拡張ジョイントを組み込んでおり、ストレスやダメージを与えずに寸法変化に対応できます。
• バイメタルのストリップ:サーモスタットおよび温度制御スイッチで使用されるこれらの装置は2つの結合された金属の別の拡張率を利用します。
• 柵トラック:ガプスは、暑い時期にバックル(サンキンク)を防止するために、鉄道トラックのセクション間で意図的に残っています。
• 熱圧力:拡張が制約されると、熱応力は適切に管理されていない場合、材料の故障につながる可能性がある。
• 精密機器:高精度を必要とする科学機器は、Invar(ニッケル-鉄合金)のような安価な材料を使用することが多い。

水の異常拡大

異常な熱膨張特性を展示します。 ほとんどの物質とは異なり、約4°C(39.2°F)で水の最大密度が発生します。 室温から冷やすと、4°Cに達するまで期待通りの水契約が予想されます。ただし、4°Cから0°C(凍結ポイント)までの冷却により、拡大します。

この異常なプロパティは、水生の生態系にとって不可欠です。 冬は、湖の表水が4°Cに冷やすと、循環パターンを作る(デンザーになる)。 表面水が4°C下で冷えたら、緻密になり、上に残ったままになり、最終的には浮遊する氷を形成します。 この氷層は、凍った湖でも生き残るために水生ができるように、下水を絶縁します。

熱膨張係数

素材は拡大特性により大きく異なります。 例えば:

• PTFE(テフロン)は、119×10−6/°Cの固体の中で最も高い係数の1つを持っています
• ほとんどの金属は10-30の× 10−6/°Cから及んでいます
• Invarは、特に低い拡張のために設計しました、0.6の× 10−6/°Cとして係数をあります
• 水晶ガラスに約0.4の× 10−6/°Cの非常に低い係数があります

熱膨張係数のこれらの違いは、さまざまなアプリケーションで悪用することができますが、異種材料を結合する際に課題を提示することもできます。

数学的記述

熱膨張は、温度変化に対応して形状、面積、容積を変更する問題の傾向です。 線形拡張方式は材料の長さの変更を計算します。

熱膨張を計算するには、次の手順に従ってください。

1. 1
   材料の初期長さを測定する
2. 2
   材料のための線形拡張の係数を決定して下さい
3. 3
   温度の変化を計算する
4. 4
   すべての値を一緒に重ねて、長さの変化を得る

線形拡張の共通の係数(1/°C):

• アルミ: 23×10−6
• 鋼鉄:12の× 10−6
• 銅:17×10−6
• ガラス:9×10−6
• コンクリート:12×10−6