Conţinut
- TL; DR (Prea lung; nu a citit)
- Aplicarea extinderii în fizică
- Aplicații de extindere termică a solidelor în viața de zi cu zi
- Extensie termică din termodinamică
- Tensori în expansiune
- Aplicarea expansiunii și contracției
- Temperaturi de extindere preîncălzire
- Variația de extindere termică între materiale
- Extindere termică după stat
Căile ferate și podurile pot avea nevoie de îmbinări de expansiune. Țevile de încălzire cu apă caldă din metal nu trebuie utilizate pe lungimi liniare. Microscopele electronice de scanare trebuie să detecteze schimbări minime de temperatură pentru a-și schimba poziția în raport cu punctul lor de focalizare. Termometrele lichide folosesc mercur sau alcool, deci curg într-o singură direcție pe măsură ce lichidul se extinde din cauza schimbărilor de temperatură. Fiecare dintre aceste exemple demonstrează modul în care materialele se extind în lungime sub căldură.
TL; DR (Prea lung; nu a citit)
Expansiunea liniară a unui solid sub o schimbare de temperatură poate fi măsurată folosind Δℓ / ℓ = αΔT și are aplicații în modul în care solidele se extind și se contractă în viața de zi cu zi. Tulpina prin care obiectul are implicații în inginerie atunci când se montează obiecte între ele.
Aplicarea extinderii în fizică
Când materialul solid se extinde ca răspuns la o creștere a temperaturii (expansiune termică), acesta poate crește în lungime într-un proces cunoscut sub numele de expansiune liniară.
Pentru un solid de lungime ℓ, puteți măsura diferența de lungime Δℓ datorită unei schimbări de temperatură ΔT pentru a determina α, coeficientul de expansiune termică pentru solid conform ecuației: Δℓ / ℓ = αΔT pentru un exemplu de aplicare a expansiunii și contracției.
Această ecuație presupune însă că schimbarea presiunii este neglijabilă pentru o mică modificare fracțională a lungimii. Acest raport dintre Δℓ / ℓ este cunoscut și sub denumirea de tulpină materială, notată ca ϵtermic. Tulpina, un răspuns material la stres, poate provoca deformarea acesteia.
Puteți utiliza Coeficienții de instrumente de inginerie pentru extinderea liniară pentru a determina rata de expansiune a unui material proporțional cu cantitatea materialului respectiv. Vă poate spune cât de mult se extinde un material în funcție de cantitatea din materialul pe care îl aveți, precum și cât de multă schimbare de temperatură aplicați pentru o aplicație de expansiune în fizică.
Aplicații de extindere termică a solidelor în viața de zi cu zi
Dacă doriți să deschideți un borcan strâns, îl puteți rula sub apă fierbinte pentru a extinde ușor capacul și a face mai ușor să se deschidă. Acest lucru se datorează faptului că, atunci când substanțele, cum ar fi solide, lichide sau gaze, sunt încălzite, media lor energia cinetică moleculară crește. Energia medie a atomilor care vibrează în material crește. Aceasta crește separarea între atomi și molecule care face ca materialul să se extindă.
În timp ce acest lucru poate provoca schimbări de fază, cum ar fi topirea gheții în apă, expansiunea termică este, în general, un rezultat mai direct al creșterii temperaturii. Pentru a descrie acest lucru, utilizați coeficientul liniar de expansiune termică.
Extensie termică din termodinamică
Materialele se pot extinde sau se pot contracta ca răspuns la aceste schimbări chimice, aducând o modificare pe scară largă a dimensiunilor din aceste procese chimice și termodinamice la scară mică, în același mod în care podurile și clădirile se pot extinde sub căldură extremă. În inginerie, puteți măsura modificarea lungimii unei substanțe solide datorită expansiunii termice.
Material anisotrops, cele care variază în substanța lor între direcții diferite, pot avea coeficienți de expansiune liniară diferiți în funcție de direcție. În aceste cazuri, puteți utiliza tensori pentru a descrie expansiunea termică ca tensor, o matrice care descrie coeficientul de expansiune termică în fiecare direcție: x, y și z.
Tensori în expansiune
policristalin materialele care alcătuiesc sticlă cu coeficienți de expansiune termică microscopică aproape zero sunt foarte utile pentru refractare, cum ar fi cuptoarele și incineratoarele. Tensorii pot descrie acești coeficienți contabilizând diferite direcții de expansiune liniară în aceste materiale anisotrope.
Cordieritul, un material silicat care are un coeficient de expansiune termică pozitiv și unul negativ înseamnă că tensorul său descrie o schimbare de volum esențial zero. Aceasta o face o substanță ideală pentru refractare.
Aplicarea expansiunii și contracției
Un arheolog norvegian a spus că vikingii au utilizat expansiunea termică a cordierita pentru a-i ajuta să navigheze pe mări în urmă cu secole. În Islanda, cu cristale de cordierit unice mari, transparente, au folosit pietre de soare din cordierită care puteau polariza lumina într-o anumită direcție doar într-o anumită orientare a cristalului pentru a le permite să navigheze în zile înnorate și înnorate. Deoarece cristalele s-ar extinde în lungime chiar și cu un coeficient scăzut de expansiune termică, acestea au arătat o culoare strălucitoare.
Inginerii trebuie să ia în considerare modul în care obiectele se extind și se contractă atunci când proiectează structuri, cum ar fi clădiri și poduri. Atunci când măsoară distanțele pentru sondaje de teren sau proiectează matrițe și containere pentru materiale fierbinți, acestea trebuie să țină seama de cât de mult se poate extinde pământul sau un pahar ca răspuns la schimbările de temperatură pe care le experimentează.
termostate se bazează pe benzi bimetalice din două benzi subțiri diferite de metale așezate una pe cealaltă, astfel încât una se extinde mult mai semnificativ decât cealaltă datorită modificărilor de temperatură. Acest lucru face ca banda să se îndoaie și, atunci când se întâmplă, închide bucla unui circuit electric.
Acest lucru face ca aparatul de aer condiționat să pornească și, schimbând valorile termostatelor, se modifică distanța dintre bandă pentru a închide circuitul. Când temperatura externă atinge valoarea dorită, metalul se contractă pentru a deschide circuitul și a opri aerul de aer condiționat. Acesta este unul dintre numeroasele exemple de utilizare a expansiunii și contracției.
Temperaturi de extindere preîncălzire
Când se preîncălzesc componente metalice între 150 ° C și 300 ° C, acestea se extind, astfel încât acestea pot fi introduse într-un alt compartiment, un proces cunoscut sub denumirea de montaj de contracție prin inducție. Metodele UltraFlex Power Technologies au implicat izolarea prin contracție a izolării de teflon pe un fir prin încălzirea unei conducte de oțel inoxidabil la 350 ° C folosind o bobină de inducție.
Expansiunea termică poate fi utilizată pentru a măsura saturația solidelor dintre gazele și lichidele pe care le absoarbe în timp. Puteți configura un experiment pentru a măsura lungimea unui bloc uscat înainte și după ce lăsați-l să absoarbă apa în timp. Modificarea lungimii poate da coeficientul termic de expansiune. Acest lucru este util pentru a determina modul în care clădirile se extind în timp, atunci când sunt expuse aerului.
Variația de extindere termică între materiale
Coeficienții de expansiune termică liniară variază ca o inversă a punctului de topire al acestei substanțe. Materialele cu puncte de topire mai mari au coeficienți de expansiune termică liniară mai mici. Numerele variază de la aproximativ 400 K pentru sulf până la aproximativ 3.700 pentru tungsten.
Coeficientul de dilatare termică variază, de asemenea, în funcție de temperatura materialului în sine (în special dacă temperatura de tranziție a sticlei a fost traversată), structura și forma materialului, orice aditivi implicați în experiment și potențialele reticulări dintre polimerii substanţă.
Polimeri amorfi, cele fără structuri cristaline, tind să aibă coeficienți de expansiune termică mai mici decât cei semicristalini. Printre sticlă, sticla cu oxid de siliciu de sodiu calciu sau sticla de silicat de sodă, are un coeficient destul de scăzut de 9 unde are sticlă borosilicată, folosită pentru fabricarea obiectelor din sticlă este de 4,5.
Extindere termică după stat
Expansiunea termică variază între solide, lichide și gaze. Solidele, în general, își păstrează forma, dacă nu sunt restricționate de un recipient. Ele se extind pe măsură ce zona lor se schimbă în raport cu aria lor inițială într-un proces numit expansiune areală sau expansiune superficială, precum și volumul lor schimbându-se în raport cu volumul original prin expansiune volumetrică. Aceste dimensiuni diferite vă permit să măsurați extinderea solidelor sub mai multe forme.
Expansiunea lichidului este mult mai probabil să ia forma containerului, astfel încât puteți utiliza expansiunea volumetrică pentru a explica acest lucru. Coeficientul liniar de expansiune termică pentru solide este α, coeficientul pentru lichide este β iar expansiunea termică a gazelor este legea ideală a gazelor PV = nRT pentru presiune P, volum V, număr de alunițe n, constantă de gaz R și temperatura T.