Termal genişleme Hesaplayıcı
Uzun, alan veya sıcaklık değişikliği nedeniyle bir malzemenin hacmini hesaplayın.
Değerlerinizi girin
İçerik tablosu
Termal genişleme için Kapsamlı Kılavuz
Termal genişleme nedir?
Termal genişleme, bir sıcaklık değişikliğine maruz kaldığı zaman hacimde değişme eğilimidir. Genel olarak, soğutmalı ve sözleşme yaparken malzemeler genişletilir, ancak bazı önemli istisnalar vardır. Bu fenomen neredeyse tüm fiziksel nesneleri etkiler, en küçük mikroçip bileşenleri büyük köprüler ve demiryolu parçalarına etkiler.
Termal genişlemenin arkasındaki bilim
Moleküler düzeyde, termal genişleme meydana gelir çünkü bir malzeme ısıtıldığında, parçacıkları (atomlar ve moleküller) daha güçlü bir şekilde kinetik enerji ve vibrate kazanır. Bu artış hareketi, partiküllerin artmasını sağlayan ortalama mesafeye neden olur. Parçacıklar birbirinin dışında hareket ettiğinde, malzemenin genel boyutları artar.
Parçacıklar arasındaki intermolecular da önemli bir rol oynamaktadır. Sıcaklık yükselirken, bu güçler biraz zayıflatır, moleküller arasında daha büyük ayrılık sağlar. Çoğu malzeme için, moleküller arasındaki potansiyel enerji eğrisi asimetriktir, yani geri yükleme daha keskin bir şekilde daha büyük mesafelerde çekim azalır, net genişleme ile sonuçlanır.
Termal genişleme türleri
Termal genişleme üç ana formda ortaya çıkıyor:
- Linear genişleme:Bir malzemenin uzunluğundaki değişim. Lineer genişleme katsayısı (α).
- Alan genişleme:Ayrıca yüzeysel genişleme olarak da adlandırılır, yüzey alanında değişim anlamına gelir. Isotropic malzemeler için, alan genişleme katsayısı yaklaşık iki kat daha lineer kat (2α).
- Cilt genişleme:Ayrıca, metresel genişleme olarak da bilinir, hacimdeki değişimi ölçer. Isotropic malzemeler için, volumetrik genişleme katsayısı yaklaşık üç kez lineer kat (3α).
Farklı Maddelerde genişleme
| Devlet Devleti | Genişleme Davranışları | Açıklama |
|---|---|---|
| Katılar | Biraz genişletin | Parçacıklar sabit pozisyonlarda tutulur ve sadece vibrate yapabilir. Aralarındaki kuvvetler güçlü, sınırlı genişlemedir. |
| Sıvılar | Katılardan daha fazlasını genişletin | Molecules, bazı intermolecular kuvvetlerini korumak için daha fazla özgürlüke sahiptir. |
| Gazlar | Önemli ölçüde genişletin | Molecules, aralarındaki minimum güçlerle özgürce hareket eder, sıcaklık artışı ile önemli bir genişlemeye yol açar. |
Mühendislik Uygulamaları ve Zorluklar
Termal genişlemenin sayısız mühendislik etkisi vardır:
- Genişleme eklemleri:Köprüler, binalar ve boru hatları, stres veya hasar yaratmadan boyutsal değişiklikler sağlamak için genişleme ortaklarını içerir.
- Bimetallic striptizleri:Termostats ve sıcaklık kontrollü anahtarlarda kullanılır, bu cihazlar iki bağlı metallerin farklı genişleme oranlarını kullanır.
- Rail parçaları:Gaps, sıcak hava sırasında boğalama (sun kinks) önlemek için demiryolu parçaları arasında kasıtlı olarak bırakılır.
- Termal stres:Genişleme kısıtlandığında, termal stres, düzgün bir şekilde yönetilmemesi durumunda malzeme başarısızlığına yol açabilir.
- Hassasiyet aletleri:Yüksek hassas gerektiren bilimsel araçlar genellikle Invar (a nikel-iron alaşımı) gibi düşük seviyeli malzemeler kullanır.
Sualtı Genişleme
Su alışılmadık termal genişleme özelliklerini gösterir. Çoğu maddeden farklı olarak, suyun maksimum yoğunluğu yaklaşık 4°C (39.2°F). Oda sıcaklığından soğutulduğunda, 4°C'ye ulaşana kadar su sözleşmeleri, 4°C'den 0°C'ye kadar daha fazla soğutma (süşük noktası) genişlemeye neden olur.
Bu anormal mülk su ekosistemleri için önemlidir. Kışın, göllerin yüzey suyu 4°C'ye soğutulduğunda, bir dolaşım modeli yaratır. 4°C'nin altındaki yüzey suyu serinlendiğinde, daha az yoğun hale gelir ve üstte kalır, sonunda yüzleri oluşturan buz oluşturur. Bu buz tabakasının altındaki suyu, donmuş göllerde bile hayatta kalmalarına izin veriyor.
Termal Genişleme Co effectives
Malzemeler genişleme özelliklerinde yaygın olarak değişir. Örneğin:
- Filtre (Teflon) 119 × 10 -6 /°C arasındaki en yüksek kattan birine sahiptir
- Metallerin çoğu 10-30 × 10 -6 /°C
- Invar, özellikle düşük genişleme için tasarlanmış, 0.6 × 10-6/°C kadar düşük bir kata sahiptir
- Pluto camı yaklaşık 0.4 × 10 -6 /°C'nin olağanüstü düşük bir kata sahiptir
Bu termal genişleme katlarındaki farklar çeşitli uygulamalarda kullanılabilir, ancak aynı zamanda dissimilar materyallerine katıldığında zorluklar da mevcut.
Matematiksel Açıklama
Anahtar termal genişleme denklemleri:
- Linear genişleme: ΔL = α × L₀ × ΔT
- Alan genişleme: ΔA = 2α × A₀ × ΔT
- Cilt genişleme:{{V = 3α × V0 × {{T (sağlık için) veya 345V = × V0 × {{T (aslılar için)
Nerede:
- α = lineer genişleme katsayısı
- LR = hacim genişleme oranı
- L0, A0, V0 = başlangıç uzunluğu, alan ve hacim
- {{T = sıcaklık değişikliği
Termal genişleme Formülü
Termal genişleme, şeklini, alanını değiştirmek ve sıcaklıktaki bir değişime yanıt vermek için önemli bir konudur. Lineer genişleme formülü, bir malzemenin uzunluğundaki değişikliği hesaplar.
Nerede:
- {{L = uzunlukta değişim (m)
- α = Lineer genişlemenin gücü (1/°C)
- L0 = Başlangıç uzunluğu (m)
- {{T = Sıcaklıkta Değişim (°C)
Nasıl Hesaplamak
Termal genişlemeyi hesaplamak için, bu adımları takip edin:
-
1Malzemelerin ilk uzunluğunı ölçmek
-
2Malzeme için lineer genişlemenin katını belirlemek
-
3Sıcaklıktaki değişimin hesaplanması
-
4Multiply all values together to get the change in long
Common Co effectives
Lineer genişlemenin ortak katsayısı (1/°C):
- Alüminyum: 23 × 10 -6
- Çelik: 12 × 10 -6
- Copper: 17 × 10 -6
- Cam: 9 × 10 -6
- Beton: 12 × 10 -6
Coaktifler sıcaklık ve malzeme kompozisyonu ile değişebilir. Verilen değerler oda sıcaklığındadır.
Pratik örnekler
Örnek 1 ÖrnekAlüminyum Rod
20°C'den 70.000C'ye kadar ısınan 2meter alüminyum çubuk uzunluğundaki değişikliği hesaplayın.
L₀ = 2 m
α = 23 × 10⁻⁶ /°C
ΔT = 50°C
ΔL = 23 × 10⁻⁶ × 2 × 50 = 0.0023 m
Örnek 2 ÖrnekSteel Bridge
Sıcaklık değişiklikleri -10°C'den 0.10C'ye 100 metre çelik köprünün genişlemesini hesaplayın.
L₀ = 100 m
α = 12 × 10⁻⁶ /°C
ΔT = 50°C
ΔL = 12 × 10⁻⁶ × 100 × 50 = 0.06 m