Sisältö
- TL; DR (liian pitkä; ei lukenut)
- Laajennuksen soveltaminen fysiikassa
- Kiinteiden aineiden lämpölaajenemisen sovellukset päivittäisessä elämässä
- Lämpölaajeneminen termodynamiikasta
- Laajennustenensorit
- Laajennuksen ja supistumisen soveltaminen
- Laajennuksen esilämmityslämpötilat
- Materiaalien lämpölaajenemisvaihtelu
- Lämpölaajeneminen aineen mukaan
Rautatiet ja sillat saattavat tarvita laajennusliitoksia. Metallisia kuuman veden lämmitysputkia ei tule käyttää pitkiin, lineaarisiin pituuksiin. Skannavien elektronisten mikroskooppien on tunnistettava pienimmät lämpötilan muutokset, jotta niiden sijainti muuttuu suhteessa tarkennuspisteeseen. Nestemäiset lämpömittarit käyttävät elohopeaa tai alkoholia, joten ne virtaavat vain yhteen suuntaan nesteen laajentuessa lämpötilan muutosten vuoksi. Jokainen näistä esimerkeistä osoittaa, kuinka materiaalit laajenevat pituudessa lämmön alla.
TL; DR (liian pitkä; ei lukenut)
Kiinteän aineen lineaarinen laajentuminen lämpötilan muutoksen alla voidaan mitata käyttämällä Δℓ / ℓ = ΔΔT, ja sillä on sovelluksia tavoilla, joilla kiinteät aineet laajenevat ja supistuvat jokapäiväisessä elämässä. Kohdella, jolla esine käy läpi, on merkitystä suunnittelulle, kun esineet sovitetaan toisiinsa.
Laajennuksen soveltaminen fysiikassa
Kun kiinteä materiaali laajenee vasteena lämpötilan nousulle (lämpölaajenemiselle), sen pituus voi kasvaa prosessissa, jota kutsutaan lineaariseksi laajenemiseksi.
Pituudeltaan ℓ kiinteälle aineelle voit mitata lämpötilan muutoksesta ΔT johtuvan pituuseron Δℓ määrittääksesi α, kiinteän aineen lämpölaajenemiskerroin yhtälön mukaan: Δℓ / ℓ = ΔΔT esimerkki laajennuksen ja supistumisen sovelluksesta.
Tämä yhtälö olettaa kuitenkin, että paineen muutos on merkityksetön pienen jaksollisen pituusmuutoksen vuoksi. Tätä suhdetta Aℓ / ℓ kutsutaan myös materiaalikannaksi, jota merkitään nimellä ϵlämpö-. Jännitys, materiaalivaste vasteena stressille, voi aiheuttaa sen muodonmuutoksen.
Voit käyttää Lineaarisen laajennuksen teknisten työkalulaatikoiden kertoimia määrittääksesi materiaalin laajenemisnopeuden suhteessa materiaalin määrään. Se voi kertoa kuinka paljon materiaalia laajenee sen perusteella, kuinka paljon kyseisestä materiaalista sinulla on, sekä kuinka paljon lämpötilan muutoksesta haet fysiikan laajennussovellusta.
Kiinteiden aineiden lämpölaajenemisen sovellukset päivittäisessä elämässä
Jos haluat avata tiukan purkin, voit ajaa sitä kuuman veden alla laajentaaksesi kannetta hieman ja helpottaaksesi avaamista. Tämä johtuu siitä, että kun aineita, kuten kiinteitä aineita, nesteitä tai kaasuja, lämmitetään, niiden keskiarvo molekyylikineettinen energia nousee. Materiaalissa värisevien atomien keskimääräinen energia kasvaa. Tämä lisää atomien ja molekyylien välistä etäisyyttä, mikä saa materiaalin laajenemaan.
Vaikka tämä voi aiheuttaa vaihemuutoksia, kuten jään sulamisen veteen, lämpölaajeneminen on yleensä suorampi seuraus lämpötilan noususta. Käytät tämän kuvaamiseksi lämpölaajenemiskerrointa.
Lämpölaajeneminen termodynamiikasta
Materiaalit voivat laajentua tai supistua vastauksena näihin kemiallisiin muutoksiin, mikä aiheuttaa suurten koon muutosten näistä pienimuotoisista kemiallisista ja termodynaamisista prosesseista, samalla tavalla sillat ja rakennukset voivat laajentua äärimmäisen kuumuuden alla. Suunnittelussa voit mitata kiinteän aineen pituuden muutosta lämpölaajenemisesta johtuen.
Anisotrooppinen materiaalis, sellaisilla, jotka eroavat sisällöstään eri suuntiin, voi olla erilaisia lineaarisia laajenemiskertoimia suunnasta riippuen. Näissä tapauksissa voit käyttää tenoreita kuvaamaan lämpölaajenemista tenorina, matriisina, joka kuvaa lämpölaajenemiskerrointa kumpaankin suuntaan: x, y ja z.
Laajennustenensorit
monikiteisiä materiaalit, jotka muodostavat lasin lähes nolla-mikroskooppisilla lämpölaajenemiskertoimilla, ovat erittäin hyödyllisiä tulenkestävissä aineissa, kuten uuneissa ja polttolaitoksissa. Tensorit voivat kuvata nämä kertoimet ottamalla huomioon näiden lineaaristen laajenemisten eri suunnat näissä anisotrooppisissa materiaaleissa.
Kordieriitti, silikaattimateriaali, jolla on yksi positiivinen lämpölaajenemiskerroin ja yksi negatiivinen tarkoittaa, että sen tenori kuvaa tilavuuden muutosta oleellisesti nolla. Se tekee siitä ihanteellisen aineen tulenkestäville aineille.
Laajennuksen ja supistumisen soveltaminen
Norjalainen arkeologi väitti, että viikinkit käyttivät kordieriitti auttaa heitä navigoimaan merillä vuosisatoja sitten. Islannissa, joissa oli suuria, läpinäkyviä kordieriitin yksittäisiä kiteitä, he käyttivät kardieriitista valmistettuja aurinkokiveä, jotka pystyivät polarisoimaan valoa tiettyyn suuntaan vain tietyissä kristallin suuntauksissa, jotta ne voisivat navigoida pilvisinä ja pilvisinä päivinä. Koska kiteet laajenivat pituudeltaan jopa alhaisella lämpölaajenemiskerroimella, ne osoittivat kirkkaan värin.
Insinöörien on pohdittava, kuinka esineet laajenevat ja supistuvat, kun suunnitellaan rakenteita, kuten rakennuksia ja siltoja. Mittaamalla etäisyyksiä maanmittauksiin tai suunnitellessaan kuumien materiaalien muotteja ja astioita, niiden on otettava huomioon, kuinka paljon maa tai lasi voi laajentua vastauksena koettamiin lämpötilan muutoksiin.
termostaatit luottaa kahden erilaisen ohuen metalliliuskan bimetallisiin nauhoihin, jotka on sijoitettu toisiinsa, joten toinen laajenee huomattavasti enemmän kuin toinen lämpötilan muutosten vuoksi. Tämä saa nauhan taipumaan, ja kun se tapahtuu, se sulkee sähköpiirin silmukan.
Tämä aiheuttaa ilmastointilaitteen käynnistymisen ja termostaattien arvoja muuttamalla nauhan välinen etäisyys virtapiirin sulkemiseksi muuttuu. Kun ulkoinen lämpötila saavuttaa halutun arvon, metalli supistuu avaamaan virtapiiri ja pysäyttämään ilmastointilaitteen. Tämä on yksi monista esimerkistä laajennuksen ja supistumisen käytöstä.
Laajennuksen esilämmityslämpötilat
Kun esilämmitetään metallikomponentteja lämpötilassa 150 ° C - 300 ° C, ne laajenevat, joten ne voidaan asettaa toiseen osastoon, prosessi, jota kutsutaan induktio kutistesovittimeksi. UltraFlex Power Technologies -menetelmiin on kuulunut induktiosutistuva Teflon-eristeen asentaminen johdolle kuumentamalla ruostumattoman teräksen putki 350 ° C: seen induktiokäämin avulla.
Lämpölaajenemisella voidaan mitata kiinteiden aineiden kylläisyyttä kaasujen ja nesteiden joukossa, joita se imee ajan myötä. Voit määrittää kokeen mitata kuivatun lohkon pituus ennen ja sen jälkeen, kun sen annetaan imeä vettä ajan myötä. Pituuden muutos voi antaa lämpölaajenemiskertoimen. Tämä on käytännöllinen käyttö määritettäessä, kuinka rakennukset laajenevat ajan myötä, kun ne altistuvat ilmalle.
Materiaalien lämpölaajenemisvaihtelu
Lineaariset lämpölaajenemiskertoimet vaihtelevat käänteisesti aineen sulamispisteelle. Materiaaleilla, joilla on korkeammat sulamispisteet, on alhaisemmat lineaariset lämpölaajenemiskertoimet. Luvut vaihtelevat noin 400 K rikkiä kohti noin 3700 volframiin.
Lämpölaajenemiskerroin vaihtelee myös itse materiaalin lämpötilan (erityisesti onko lasittumislämpötila ylitetty), materiaalin rakenteen ja muodon, kokeeseen mahdollisesti lisättyjen lisäaineiden ja potentiaalisen ristisilloituksen välillä aine.
Amorfiset polymeeritNiillä, joilla ei ole kiteisiä rakenteita, on yleensä alhaisemmat lämpölaajenemiskertoimet kuin puolikiteisillä. Lasista, natriumkalsiumpiidioksidilasista tai soodakalkkisilikaattilasista on melko matala kerroin 9, jossa lasiesineiden valmistuksessa käytetty borosilikaattilasi on 4,5.
Lämpölaajeneminen aineen mukaan
Lämpölaajeneminen vaihtelee kiinteiden aineiden, nesteiden ja kaasujen välillä. Kiinteät aineet säilyttävät yleensä muodonsa, ellei niitä rajoita säiliö. Ne laajenevat, kun niiden pinta-ala muuttuu alkuperäiseen pinta-alaansa verrattuna prosessissa, jota kutsutaan alueelliseksi tai pintaiseksi laajenemiseksi, samoin kuin tilavuutensa muuttuessa alkuperäiseen tilavuuteen tilavuuden laajenemisella. Nämä eri mitat antavat sinun mitata kiintoaineiden laajenemista monissa muodoissa.
Nestelaajeneminen tapahtuu paljon todennäköisemmin säiliön muodossa, joten voit selittää tämän tilavuuspaisutuksen avulla. Kiinteiden aineiden lämpölaajenemissuunnan lineaarikerroin on α, nesteiden kerroin on β ja kaasujen lämpölaajeneminen on ihanteellinen kaasulaki PV = nRT paineelle P, tilavuus V, moolien lukumäärä n, kaasuvakio R ja lämpötila T.