Калькулятор теплового расширения

Что такое тепловое расширение?

Тепловое расширение — это тенденция материи изменяться в объеме при изменении температуры. Как правило, материалы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении, хотя есть некоторые заметные исключения. Это явление затрагивает практически все физические объекты, от самых маленьких микрочипов до массивных мостов и железнодорожных путей.

Наука, стоящая за тепловым расширением

На молекулярном уровне тепловое расширение происходит потому, что при нагревании материала его частицы (атомы и молекулы) получают кинетическую энергию и более энергично вибрируют. Это увеличение движения приводит к увеличению среднего расстояния между частицами. По мере того, как частицы отдаляются друг от друга, общие размеры материала увеличиваются.

Межмолекулярные силы между частицами также играют ключевую роль. По мере повышения температуры эти силы немного ослабевают, что позволяет проводить большее разделение между молекулами. Для большинства материалов кривая потенциальной энергии между молекулами асимметрична, что означает, что отталкивание увеличивается более резко на близких расстояниях, чем притяжение уменьшается на больших расстояниях, что приводит к расширению сети.

Типы теплового расширения

Термическое расширение проявляется в трех основных формах:

• Линейное расширение:Изменение длины материала. Он описывается коэффициентом линейного расширения (α).
• Расширение территории:Также называется поверхностным расширением, оно относится к изменению площади поверхности. Для изотропных материалов коэффициент расширения площади примерно вдвое превышает линейный коэффициент (2α).
• Расширение объема:Также известное как кубическое расширение, оно измеряет изменение объема. Для изотропных материалов коэффициент объемного расширения примерно в три раза превышает линейный коэффициент (3α).

Расширение в различных состояниях материи

Инженерные приложения и проблемы

Тепловое расширение имеет многочисленные инженерные последствия:

• Расширение суставов:Мосты, здания и трубопроводы включают в себя расширительные соединения для размещения изменений размеров без создания стресса или повреждения.
• Биметаллические полосы:Используемые в термостатах и переключателях с контролируемой температурой, эти устройства используют различные скорости расширения двух связанных металлов.
• Железнодорожные пути:Пробелы намеренно оставляют между участками железнодорожных путей, чтобы предотвратить пряжки (солнечные перекосы) в жаркую погоду.
• Термический стресс:Когда расширение ограничено, развивается тепловое напряжение, которое может привести к повреждению материала, если не управлять должным образом.
• Точные приборы:Научные приборы, требующие высокой точности, часто используют материалы с низким расширением, такие как Инвар (никель-железный сплав).

Аномальное расширение воды

Вода обладает необычными свойствами теплового расширения. В отличие от большинства веществ, максимальная плотность воды составляет около 4 ° C (39,2 ° F). При охлаждении от комнатной температуры вода сжимается, как и ожидалось, до 4 ° C. Однако дальнейшее охлаждение от 4 ° C до 0° C (его точка замерзания) заставляет ее расширяться.

Это аномальное свойство имеет решающее значение для водных экосистем. Зимой, когда поверхностная вода озер остывает до 4°C, она тонет (будучи плотнее), создавая схему циркуляции. Как только поверхностная вода остывает ниже 4 ° C, она становится менее плотной и остается сверху, в конечном итоге образуя лед, который плавает. Этот слой льда изолирует воду внизу, позволяя водной жизни выжить даже в замерзших озерах.

коэффициенты теплового расширения

Материалы сильно различаются по своим свойствам расширения. Например:

• PTFE (тефлон) имеет один из самых высоких коэффициентов среди твердых веществ при 119 × 10-6/°C
• Большинство металлов колеблется от 10-30 × 10-6/°C
• Инвар, специально разработанный для низкого расширения, имеет коэффициент 0,6 × 10-6 / ° C
• Кварцевое стекло имеет исключительно низкий коэффициент около 0,4×10−6/°С

Эти различия в коэффициентах теплового расширения могут быть использованы в различных приложениях, но также представляют проблемы при соединении разнородных материалов.

Математическое описание

Тепловое расширение — это тенденция материи изменять свою форму, площадь и объем в ответ на изменение температуры. Линейная формула расширения вычисляет изменение длины материала.

Чтобы рассчитать тепловое расширение, выполните следующие шаги:

1. 1
   Измерить начальную длину материала
2. 2
   Определить коэффициент линейного расширения для материала
3. 3
   Вычислить изменение температуры
4. 4
   Умножьте все значения вместе, чтобы получить изменение длины

Общие коэффициенты линейного расширения (1/°C):

• Алюминий: 23×10−6
• Сталь: 12×10−6
• Медь: 17×10−6
• Стекло: 9×10−6
• Бетон: 12×10−6