热膨胀计算器

什么是热扩张?

热膨胀是物质在受温度变化影响时体积变化的倾向. 一般来说,材料在加热后会膨胀,冷却后会收缩,尽管有一些明显的例外. 这一现象几乎影响到所有物理物体,从最小的微芯片部件到大型桥梁和铁道。

热能扩张背后的科学

在分子层面,热膨胀之所以发生,是因为当一种材料被加热后,它的粒子(原子和分子)会得到更强烈的动能并振动. 这种运动的增加导致粒子之间的平均距离增大. 随着粒子相去更远,材料的整体维度会增加.

粒子之间的内向分子力也起关键作用. 随着温度的升高,这些力会稍有减弱,使得分子之间的分化更大. 对于大多数材料来说,分子之间的潜在能量曲线是不对称的,意为在相近距离下反向增加比在相相相相较较大距离下吸引力的减少更剧烈地增加,导致净膨胀.

热膨胀类型

热膨胀主要表现为三种:

• 线性扩展:材料长度的变化. 它由线性扩张系数(α)来描述.
• 区域扩展:也叫表面扩张,指地表面积的变化. 对于异热带材料,面积扩张系数约为线性系数(2α)的两倍.
• 音量扩展:又称立方膨胀,能测量体积的变化. 对异热带材料而言,体积膨胀系数约为线性系数(3α)的3倍.

在不同物质国家的扩展

工程应用和挑战

热能膨胀对工程有诸多影响:

• 扩展接头:桥梁、建筑物和管线都包含扩建接头,以适应维度变化,而不会造成压力或损坏。
• 双金属条:这些装置用于自动调温器和温度控制开关,利用两种保质金属的不同膨胀率。
• 铁道:故意在铁道两段之间留有空白,
• 热应力:当扩张受到限制时,热应力会发展出,如果不加以妥善管理,可能导致物质故障.
• 精密仪器:需要高精度的科学仪器经常使用像Invar(一种镍-铁合金)这样的低扩展材料.

水的异常扩张

水显示出不寻常的热膨胀特性。 与大多数物质不同的是,水的最大密度发生在约4°C(39.2°F). 在从室温冷却后,水约按预期达到4°C. 然而,从4°C到0°C(其冷点)的进一步冷却使其扩大.

这种异常特性对水生生态系统至关重要。 在冬季,当湖泊地表水冷却到4°C后会下沉(Weing pointer),形成环流格局. 一旦地表水降温到4°C以下,其密度会降低并会留在顶上,最终会形成浮出水面的冰. 这种冰层将下面的水隔绝,使水生生物即使在被冰冻的湖中也能活下来.

热膨胀系数

材料的扩展特性差异很大。 例如:

• PTFE(Teflon)在119×10−6°C的固体中具有最高系数之一
• 多数金属在10-30×10-6/°C之间
• 为低膨胀而专门设计的Invar系数为0.6×10-6/°C
• 夸茨玻璃的特低系数约为0.4×10-6/°C

热膨胀系数的这些差异可在各种应用中加以利用,但在加入不同材料时也提出了挑战。

数学描述

热膨胀是物质因温度变化而改变其形状,面积和体积的倾向. 线性扩展公式计算出材料长度的变化。

为了计算热膨胀,遵循这些步骤:

1. 1
   测量材料的初始长度
2. 2
   确定材料的线性扩展系数
3. 3
   计算温度变化
4. 4
   将所有值相乘以获得长度变化

线性扩展(1/°C)的共同系数:

• 铝:23×10-6
• 钢:12×10-6
• 铜:17×10-6
• 玻璃:9×10-6
• 混凝土:12×10-6