Thermische expansie Calculator

Wat is Thermische expansie?

Thermische expansie is de neiging van materie om volumeverandering bij een temperatuurverandering. Over het algemeen breiden materialen uit bij verhitting en contracteren bij koeling, hoewel er enkele opmerkelijke uitzonderingen zijn. Dit fenomeen beïnvloedt vrijwel alle fysieke objecten, van de kleinste microchipcomponenten tot enorme bruggen en spoorbanen.

De wetenschap achter thermische expansie

Op moleculair niveau treedt thermische expansie op omdat wanneer een materiaal wordt verhit, de deeltjes (atomen en moleculen) kinetische energie krijgen en krachtiger trillen. Deze verhoogde beweging zorgt ervoor dat de gemiddelde afstand tussen deeltjes toeneemt. Naarmate de deeltjes zich verder van elkaar af bewegen, nemen de totale afmetingen van het materiaal toe.

Ook de intermoleculaire krachten tussen deeltjes spelen een sleutelrol. Naarmate de temperatuur stijgt, verzwakken deze krachten iets, waardoor een grotere scheiding tussen moleculen mogelijk is. Voor de meeste materialen is de potentiële energiecurve tussen de moleculen asymmetrisch, wat betekent dat de afstoting sterker toeneemt op korte afstanden dan de aantrekking afneemt op grotere afstanden, wat resulteert in netto-uitbreiding.

Soorten thermische expansie

Thermische expansie manifesteert zich in drie hoofdvormen:

• Lineaire expansie:De verandering in lengte van een materiaal. Het wordt beschreven door de lineaire expansiecoëfficiënt (α).
• Gebiedsuitbreiding:Ook oppervlakkige expansie genoemd, verwijst het naar de verandering in oppervlakte. Voor isotroop materiaal is de oppervlakteuitbreidingscoëfficiënt ongeveer tweemaal de lineaire coëfficiënt (2α).
• Volumeuitbreiding:Ook bekend als kubieke uitbreiding, het meet de volumeverandering. Voor isotroop materiaal is de volumetrische expansiecoëfficiënt ongeveer driemaal de lineaire coëfficiënt (3α).

Uitbreiding in verschillende staten van de materie

Technische toepassingen en uitdagingen

Thermische expansie heeft talrijke technische implicaties:

• Uitbreidingsgewrichten:Bruggen, gebouwen en pijpleidingen bevatten uitbreidingsverbindingen om dimensionale veranderingen tegemoet te komen zonder stress of schade te veroorzaken.
• bimetallische stroken:Gebruikt in thermostaten en temperatuur-gecontroleerde schakelaars, deze apparaten maken gebruik van de verschillende expansiesnelheden van twee gebonden metalen.
• Spoorspoor:Gaps worden opzettelijk achtergelaten tussen delen van het spoor om te voorkomen dat knobbelen (zon kinks) tijdens het warme weer.
• Thermische stress:Wanneer uitbreiding wordt beperkt, thermische stress ontwikkelt die kan leiden tot materiaaluitval als niet goed beheerd.
• Precisie-instrumenten:Wetenschappelijke instrumenten die hoge precisie vereisen maken vaak gebruik van laag-expansie materialen zoals Invar (een nikkel-ijzerlegering).

De Anomalous Expansion of Water

Water vertoont ongewone thermische uitzettingseigenschappen. In tegenstelling tot de meeste stoffen komt de maximale dichtheid van water voor bij ongeveer 4°C (39,2°F). Wanneer gekoeld van kamertemperatuur, water contracteert zoals verwacht tot het bereiken van 4°C. Echter, verdere koeling van 4°C naar 0°C (het vriespunt) zorgt ervoor dat het uit te breiden.

Deze afwijkende eigenschap is cruciaal voor aquatische ecosystemen. In de winter, wanneer het oppervlaktewater van de meren afkoelt tot 4°C, zinkt het (worden dichter), waardoor een circulatiepatroon. Zodra het oppervlaktewater koelt onder 4°C, wordt het minder dicht en blijft op de top, uiteindelijk het vormen van ijs dat drijft. Deze ijslaag isoleert het water beneden, waardoor waterleven zelfs in bevroren meren kan overleven.

Coëfficiënten voor thermische expansie

Materialen variëren sterk in hun uitbreidingseigenschappen. Bijvoorbeeld:

• PTFE (Teflon) heeft een van de hoogste coëfficiënten tussen vaste stoffen bij 119 × 10−6/°C
• De meeste metalen variëren van 10-30 × 10−6/°C
• Invar, speciaal ontworpen voor lage uitzetting, heeft een coëfficiënt van 0,6 × 10−6/°C
• Kwartsglas heeft een uitzonderlijk lage coëfficiënt van ongeveer 0,4 × 10−6/°C

Deze verschillen in thermische expansiecoëfficiënten kunnen in verschillende toepassingen worden benut, maar vormen ook uitdagingen bij het verbinden van verschillende materialen.

Wiskundige beschrijving

Thermische expansie is de neiging van materie om zijn vorm, oppervlakte en volume te veranderen als reactie op een temperatuurverandering. De lineaire expansieformule berekent de verandering in lengte van een materiaal.

Om thermische expansie te berekenen, volg deze stappen:

1. 1
   Meet de beginlengte van het materiaal
2. 2
   Bepaal de lineaire uitzettingscoëfficiënt voor het materiaal
3. 3
   Bereken de temperatuurverandering
4. 4
   Vermenigvuldig alle waarden samen om de verandering in lengte te krijgen

Gemeenschappelijke coëfficiënten voor lineaire expansie (1/°C):

• Aluminium: 23 × 10−6
• Staal: 12 × 10−6
• Koper: 17 × 10−6
• Glas: 9 × 10−6
• Beton: 12 × 10−6