Šiluminio plėtimosi koeficientas — apibrėžimas, linijinis, plotinis ir tūrinis
Sužinokite šiluminio plėtimosi koeficiento reikšmę: linijinis, plotinis ir tūrinis parametrai, matavimas bei taikymai kietosiose medžiagose ir skysčiuose.
Kietieji kūnai dažniausiai plečiasi šildant ir traukiasi aušinant. Ši reakcija į temperatūros pokyčius išreiškiama šiluminio plėtimosi koeficientu.
Naudojamas šiluminio plėtimosi koeficientas:
- linijinio šiluminio plėtimosi
- ploto šiluminis plėtimasis
- tūrio šiluminio plėtimosi
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.
Kai kurių įprastų medžiagų šiluminio plėtimosi koeficientai
Į medžiagos plėtimąsi ir susitraukimą reikia atsižvelgti projektuojant dideles konstrukcijas, naudojant juostą ar grandinę atstumams matuoti atliekant geodezinius matavimus, projektuojant formas karštai medžiagai lieti ir kitose inžinerijos srityse, kai dėl temperatūros tikėtini dideli matmenų pokyčiai. Kietiems kietiems kūnams α yra nuo 10-7 iki 10-3 organiniams skysčiams. α kinta priklausomai nuo temperatūros, o kai kurioms medžiagoms šis pokytis yra labai didelis. Kai kurios įprastų medžiagų vertės, nurodytos dalimis milijonui Celsijaus laipsnių: (PASTABA: gali būti ir kelvinais, nes temperatūros pokyčiai yra santykiu 1:1)| linijinio šiluminio plėtimosi koeficientas α | |
| medžiaga | α 10-6 /K esant 20 °C temperatūrai |
| 60 | |
| BCB | 42 |
| Švinas | 29 |
| Aliuminis | 23 |
| Žalvario | 19 |
| Nerūdijantis plienas | 17.3 |
| Vario | 17 |
| Auksinis | 14 |
| Nikelio | 13 |
| 12 | |
| Geležis arba plienas | 11.1 |
| Anglinis plienas | 10.8 |
| Platina | 9 |
| 8.5 | |
| GaAs | 5.8 |
| Indžio fosfidas | 4.6 |
| Volframas | 4.5 |
| Stiklas, "Pyrex | 3.3 |
| 3 | |
| Invar | 1.2 |
| 1 | |
| Kvarcas, lydytas | 0.59 |
Programos
Apie taikymus, kuriuose naudojama šiluminio plėtimosi savybė, žr. dvimetalį ir gyvsidabrio termometrą
Šiluminis plėtimasis taip pat naudojamas mechaniniuose įrenginiuose, kad dalys būtų pritvirtintos viena prie kitos, pvz., įvorę galima pritvirtinti prie veleno, jos vidinį skersmenį padarant šiek tiek mažesnį už veleno skersmenį, tada kaitinant, kol ji priglunda prie veleno, ir leidžiant jai atvėsti po to, kai ji buvo pastumta ant veleno, taip gaunamas "susitraukimo prigludimas".
Yra lydinių, kurių CTE yra labai maža ir kurie naudojami tokiose srityse, kur reikalingi labai maži fizikinių matmenų pokyčiai esant įvairioms temperatūroms. Vienas iš jų yra "Invar 36", kurio koeficientas yra 0,6x10-6 . Šie lydiniai naudingi kosminėje erdvėje, kur galimi dideli temperatūrų svyravimai.
Klausimai ir atsakymai
K: Koks yra šiluminio plėtimosi koeficientas?
A: Terminio plėtimosi koeficientas - tai matas, rodantis, kiek kieta medžiaga plečiasi arba traukiasi, reaguodama į temperatūros pokyčius.
K: Kokios yra trys šiluminio plėtimosi rūšys?
A: Trys šiluminio plėtimosi rūšys: tiesinis šiluminis plėtimasis, ploto šiluminis plėtimasis ir tūrinis šiluminis plėtimasis.
K: Kuo skiriasi tiesinis šiluminis plėtimasis nuo tūrinio šiluminio plėtimosi?
A: Tiesinis šiluminis plėtimasis susijęs su ilgio pokyčiais, o tūrinis šiluminis plėtimasis - su tūrio pokyčiais.
K: Ar galima išmatuoti skysčių tūrinio šiluminio plėtimosi koeficientą?
A: Taip, tūrio šiluminio plėtimosi koeficientą galima išmatuoti visoms kondensuotoms medžiagoms, įskaitant skysčius.
K: Kokioje būsenoje galima išmatuoti linijinį šiluminį plėtimąsi?
A.: Linijinį šiluminį plėtimą galima išmatuoti tik kietoje būsenoje.
K: Kodėl linijinis šiluminis plėtimasis dažnai naudojamas inžinerijoje?
A: Linijinis šiluminis plėtimasis yra paplitęs inžinerijoje, nes jis yra svarbus konstrukcijoms ir komponentams, kurie turi išlaikyti savo formą ir dydį esant skirtingoms temperatūroms.
K: Ar skirtingi šiluminio plėtimosi tipai yra glaudžiai susiję?
A: Taip, skirtingi šiluminio plėtimosi tipai (tiesinis, ploto ir tūrinis) yra glaudžiai susiję.
Ieškoti