Kietieji kūnai dažniausiai plečiasi šildant ir traukiasi aušinant. Ši reakcija į temperatūros pokyčius išreiškiama šiluminio plėtimosi koeficientu.

Naudojamas šiluminio plėtimosi koeficientas:

Šios savybės yra glaudžiai susijusios. Tūrio šiluminio plėtimosi koeficientą galima išmatuoti visoms kondensuotoms medžiagoms (skysčiams ir kietosioms medžiagoms). Tiesinį šiluminį plėtimąsi galima išmatuoti tik kietosios būsenos medžiagose ir jis yra paplitęs inžineriniuose taikymuose.



Ką reiškia šiluminio plėtimosi koeficientas?

Šiluminio plėtimosi koeficientas (dažnai žymimas α) apibūdina, kiek pasikeičia medžiagos matmenys vienam temperatūros vienetui (dažniausiai laipsniui Celsijaus arba Kelvinui). Tai yra proporcinis koeficientas, taikomas mažiems temperatūros pokyčiams, kai priklausomybė yra maždaug linijinė.

Tipai ir formulės

Linijinis plėtimosi koeficientas αL nurodo, kiek keičiasi ilgis L esant temperatūros pokyčiui ΔT:

ΔL = αL · L0 · ΔT

Ploto (tarpinis) koeficientas αA taikomas dviems matmenims (pvz., plokštelės plotui):

ΔA = αA · A0 · ΔT, kur αA ≈ 2·αL izotropinėms medžiagoms.

Tūrio (volumetrinis) koeficientas αV nurodo tūrio pokytį:

ΔV = αV · V0 · ΔT, kur αV ≈ 3·αL izotropiškose kietosiose medžiagose.

Vienetas: 1/K (arba K⁻¹). Pastaba: šios aproksimacijos galioja mažiems ΔT ir izotropinėms medžiagoms; realiai α gali priklausyti nuo temperatūros.

Praktiniai pavyzdžiai ir tipinės reikšmės

  • Plienas: ~11–13 × 10⁻⁶ 1/K
  • Aliuminis: ~23 × 10⁻⁶ 1/K
  • Varis: ~16–17 × 10⁻⁶ 1/K
  • Borosilikatinis stiklas (pvz., Pyrex): ~3.3 × 10⁻⁶ 1/K
  • Polimerai: dažnai daug didesni, pvz., 50–200 × 10⁻⁶ 1/K (priklauso nuo rūšies ir drėgmės)

Yra ir medžiagų su mažu arba net neigiamu plėtimosi koeficientu (pvz., Invar legiruotės metalai, kai kurios keramikos ir struktūrinės molekulinės karkasų medžiagos), jos naudojamos ten, kur reikalingas matmenų stabilumas temperatūros pokyčių metu.

Matuojimo metodai

  • Dilatometrija – specialūs prietaisai, nustatantys ilgio ar tūrio pokyčius su aukšta tikslumu.
  • Interferometrija – optiniai metodai, leidžiantys matuoti labai mažus ilgio pokyčius.
  • Deformacijos matuokliai (strain gauges) ir jutikliai inžinerinėse konstrukcijose.

Temperatūros priklausomybė ir praktinės pastabos

Realiame gyvenime α dažnai priklauso nuo temperatūros — pagreitėja arba sulėtėja didesniuose temperatūrų intervaluose. Todėl formulės ΔL = αL·L0·ΔT yra geriausiai taikomos mažiems ΔT arba tada, kai naudojama vidutinė α reikšmė per tam tikrą temperatūrų intervalą.

Inžineriniuose sprendimuose būtina atsižvelgti į šiluminį plėtimąsi, nes skirtingų medžiagų α skirtumai sukelia įtempius arba jungčių atsilaisvinimą. Pvz., geležinkelio bėgiai turi plėtimosi siūles, tiltuose ir vamzdynuose naudojami kompensatoriai, o elektronikos grandinėse — atsparios karščiui medžiagos ir projektavimo sprendimai.

Anizotropija ir medžiagų būklė

Kristalinės medžiagos gali būti anizotropiškos — α skiriasi pagal kristalografinę kryptį. Amorfinių medžiagų (pvz., stiklo) plėtimosi koeficientas dažniausiai izotropinis. Skysčiuose matuojamas tik tūrinis plėtimosi koeficientas; tiesinis plėtimosi koeficientas neturi fizikinės prasmės skysčiams.

Trumpas pavyzdys (skaičiavimas)

Tarkime, plieninis strypas L0 = 10 m, αL = 12 × 10⁻⁶ 1/K, temperatūra pakyla ΔT = 30 K. Ilgio pokytis:

ΔL = 12·10⁻⁶ × 10 m × 30 = 0.0036 m = 3.6 mm.

Išvados

  • Šiluminio plėtimosi koeficientas yra svarbi medžiagos savybė projektuojant mechanines konstrukcijas, įrengimus ir elektroninius prietaisus.
  • Yra trys pagrindiniai tipai: linijinis, ploto ir tūrio; izotropiškoms medžiagoms jų santykiai apytiksliai 1:2:3.
  • Reikėtų visada įvertinti temperatūros diapazoną, galimą anizotropiją ir medžiagų suderinamumą, kad būtų išvengta terminių įtempių ir gedimų.