Kalkulator rozszerzalności cieplnej

Co to jest Thermal Expansion?

Rozszerzenie termiczne jest tendencją materii do zmiany objętości w przypadku zmiany temperatury. Ogólnie rzecz biorąc, materiały rozwijają się po ogrzewaniu i kurczą się po schłodzeniu, chociaż istnieją pewne znaczące wyjątki. Zjawisko to dotyczy praktycznie wszystkich obiektów fizycznych, od najmniejszych mikroprocesorów po masywne mosty i tory kolejowe.

The Science Behind Termal Expansion

Na poziomie molekularnym ekspansja termiczna zachodzi, ponieważ kiedy materiał jest podgrzewany, jego cząstki (atomy i molekuły) zyskują energię kinetyczną i wibrują bardziej energicznie. Zwiększony ruch powoduje wzrost średniej odległości pomiędzy cząsteczkami. Ponieważ cząstki poruszają się dalej od siebie, ogólne wymiary materiału rosną.

Kluczową rolę odgrywają także siły międzymolekularne pomiędzy cząstkami. Wraz ze wzrostem temperatury siły te nieznacznie słabną, co pozwala na większe oddzielenie cząsteczek. Dla większości materiałów potencjalna krzywa energetyczna pomiędzy cząsteczkami jest asymetryczna, co oznacza, że odpychanie zwiększa się bardziej gwałtownie na krótkich dystansach niż przyciąganie zmniejsza się na większych odległościach, co prowadzi do ekspansji netto.

Rodzaje rozszerzania termicznego

Ekspansje termiczne w trzech głównych formach:

• Rozbudowa liniowa:Zmiana długości materiału. Opisuje go współczynnik rozszerzalności liniowej (α).
• Rozszerzenie obszaru:Również nazywane powierzchowne rozszerzenie, odnosi się do zmiany powierzchni. Dla materiałów izotropowych współczynnik rozszerzalności obszaru jest w przybliżeniu dwukrotnie większy od współczynnika liniowego (2α).
• Rozszerzenie głośności:Znany również jako ekspansja sześcienna, mierzy zmianę objętości. Dla materiałów izotropowych współczynnik rozszerzalności objętościowej jest w przybliżeniu trzykrotnie większy od współczynnika liniowego (3α).

Rozbudowa w różnych stanach materii

Zastosowania inżynieryjne i wyzwania

Ekspansja termiczna ma liczne implikacje techniczne:

• Złącza rozszerzające:Mosty, budynki i rurociągi zawierają połączenia rozszerzające, aby pomieścić zmiany wymiarowe bez tworzenia stresu lub uszkodzenia.
• Pasy bimetaliczne:Używane w termostatach i przełącznikach sterowanych temperaturą, urządzenia te wykorzystują różne szybkości ekspansji dwóch związanych metali.
• Ścieżki kolejowe:Luki są celowo pozostawione między odcinkami torów kolejowych, aby zapobiec wyskakiwaniu (słonecznych) podczas gorącej pogody.
• Nacisk termiczny:Gdy ekspansja jest ograniczona, rozwija się stres termiczny, który może prowadzić do awarii materiału, jeśli nie jest właściwie zarządzane.
• Przyrządy precyzyjne:Instrumenty naukowe wymagające wysokiej precyzji często używają materiałów o niskiej rozszerzalności, takich jak Invar (nickel- żelaza stopu).

Anomalia rozbudowy wody

Woda wykazuje niezwykłe właściwości rozszerzające ciepło. W przeciwieństwie do większości substancji maksymalna gęstość wody występuje w temperaturze około 4 ° C (39,2 ° F). Po schłodzeniu z temperatury pokojowej woda kurczy się zgodnie z oczekiwaniami aż do osiągnięcia 4 ° C. Jednak dalsze chłodzenie z 4 ° C do 0 ° C (jej temperatura zamarzania) powoduje jej rozwój.

Ta nietypowa właściwość ma kluczowe znaczenie dla ekosystemów wodnych. W zimie, kiedy woda powierzchniowa jezior ochłodzi się do 4 ° C, pochłania (jest gęstsza), tworząc wzór cyrkulacji. Gdy woda powierzchniowa ochłodzi się poniżej 4 ° C, staje się mniej gęsta i pozostaje na szczycie, ostatecznie tworząc lód, który pływa. Ta warstwa lodu izoluje wodę poniżej, pozwalając życiu wodnemu przetrwać nawet w zamarzniętych jeziorach.

Współczynniki rozszerzalności cieplnej

Materiały różnią się znacznie pod względem właściwości rozszerzających. Na przykład:

• PTFE (Teflon) ma jeden z najwyższych współczynników dla ciał stałych przy 119 × 10 RRRR / ° C
• Większość metali mieści się w zakresie 10- 30 × 10 RRRR / ° C
• Invar, specjalnie zaprojektowany do małej ekspansji, ma współczynnik równy 0,6 × 10 μm / ° C
• Szkło kwarcowe ma wyjątkowo niski współczynnik około 0,4 × 10 μm / ° C

Te różnice w współczynnikach rozszerzalności cieplnej mogą być wykorzystywane w różnych zastosowaniach, ale również stanowią wyzwanie przy łączeniu różnych materiałów.

Opis matematyczny

Rozszerzenie termiczne jest tendencją materii do zmiany kształtu, powierzchni i objętości w odpowiedzi na zmianę temperatury. Liniowa formuła rozszerzająca oblicza zmianę długości materiału.

Aby obliczyć ekspansję termiczną, należy wykonać następujące czynności:

1. 1
   Zmierzyć początkową długość materiału
2. 2
   Określić współczynnik rozszerzalności liniowej materiału
3. 3
   Oblicz zmianę temperatury
4. 4
   Pomnożyć wszystkie wartości razem, aby uzyskać zmianę długości

Wspólne współczynniki rozszerzalności liniowej (1 / ° C):

• Aluminium: 23 × 10
• Stal: 12 × 10
• Miedź: 17 × 10
• Szkło: 9 × 10
• Beton: 12 × 10