Šiluminis išsiplėtimas – apibrėžimas, koeficientas ir pavyzdžiai

Sužinokite šiluminio išsiplėtimo apibrėžimą, koeficientų reikšmę ir praktinius pavyzdžius — termometrai, bėgiai ir inžineriniai sprendimai kasdieniame gyvenime.

Fizikoje šiluminis plėtimasis – tai medžiagos tūrio, ilgio ar ploto kitimas veikiant temperatūros pokyčiams. Kai medžiaga šildoma, jos pagrindinės dalelės juda intensyviau ir paprastai didėja vidutinis tarp jų atstumas, todėl medžiaga plečiasi. Medžiagos, kurios susitraukia didėjant temperatūrai, yra retos; tokių atvejų efektas dažniausiai pasireiškia tik tam tikruose temperatūros diapazonuose (pvz., vandens anomalija tarp 0 °C ir 4 °C arba specialios medžiagos su neigiamu šiluminio plėtimosi koeficientu). Plėtimosio dydis, padalytas iš temperatūros pokyčio, vadinamas medžiagos šiluminio plėtimosi koeficientu, ir jis paprastai priklauso nuo temperatūros bei medžiagos struktūros.

Matematika ir koeficientai

Dažniausiai naudojami aprašymai:

• Linijinis plėtimosi dėsnis: ΔL = α · L0 · ΔT, kur ΔL – ilgio pokytis, L0 – pradinė ilgis, ΔT – temperatūros pokytis, o α – linijinis šiluminio plėtimosi koeficientas (vienetas 1/K).
• Tūrinis plėtimosi dėsnis: ΔV = β · V0 · ΔT, kur ΔV – tūrio pokytis, V0 – pradinė tūris, β – tūrinis koeficientas. Izotropinėms kietosioms medžiagoms maždaug galioja β ≈ 3α.

Koeficientai dažnai pateikiami atitinkamai kaip 1/°C arba K−1 ir gali neiti tiesine priklausomybe nuo temperatūros dideliems ΔT – tokiu atveju reikia naudoti temperatūros priklausomus koeficientus arba integruoti α(T).

Tipinės reikšmės (apytiksliai)

Skirtingos medžiagos turi labai skirtingus plėtimosi koeficientus:

• Metalai: eilėje 10−6–10−5 K−1. Pvz., plienas ~1.1–1.3·10−5 K−1, aliuminis ~2.3·10−5 K−1.
• Stiklas: labai priklauso nuo rūšies; borosilikatinis stiklas mažesnis (~3.3·10−6 K−1), kai kurios rūšys didesnės.
• Betonas ir akmens dirbiniai: maždaug 5–12·10−6 K−1 (priklauso nuo sudėties).
• Skysčiai: tūriniai koeficientai paprastai žymiai didesni nei kietųjų; pvz., gyvsidabris apie 1.8·10−4 K−1, alkoholiai dar didesni.

Pavyzdžiai ir praktinės pasekmės

Termometrai – paprastas šiluminio plėtimosi panaudojimas: juose esantis skysčio, pavyzdžiui, gyvsidabrio ar alkoholio, tūris kinta su temperatūra ir skystis juda išilgai plono vamzdelio, leidžiant matyti temperatūros pokyčius. Skysčių didesnis tūrinis plėtimosi koeficientas užtikrina jautresnį rodmenį.

Dėl šiluminio plėtimosi traukiniams gali kilti problemų: bėgiai gali išsikraipyti arba sulįsti, todėl įrengiama kelios inžinerinės priemonės. Ant bėgių diegiami monitoriai, kurie aptinka pavojingai aukštą temperatūrą ir praneša, kad traukiniai turi sulėtinti greitį — taip mažinama trinties ir tolesnio įkaitimo rizika. Kartais vidinės bėgių dalys nudažomos baltai, kad atspindėtų saulę ir sumažintų paviršiaus įkaitimą. Be to, bėgiams paliekamos jungtys arba specialūs montavimo būdai, leidžiantys metalui „judėti“ be deformacijų.

Inžineriniai sprendimai ir kasdieniai pavyzdžiai

• Tilto ir kelių konstrukcijos: taikomos plėtimosi jungtys (expansion joints), elastingi arba slankantys atramai, kad būtų išvengta skilimų ir deformacijų.
• Elektros laidai: vasarą jie gali daugiau sagginti (linkti), todėl linijos montuojamos paliekant papildomą laisvę.
• Bimetalinės juostos: dvi skirtingų α medžiagos sluoksniai linksta skirtingai kaitinami — tai naudojama termostatuose ir temperatūros perjungiamuose įtaisuose.
• Invar ir kiti mažo plėtimosi lydiniai: naudojami tiksliose konstrukcijose, kur reikalingas minimalus ilginių pokytis (pvz., optikoje, meteorinėje įrangoje).
• Vamzdynai ir šildymo sistemos: numatomi lankstai arba išplečiami kilpos, kad būtų kompensuotas ilginių pokyčių sukeltas įtempimas.

Anomalijos ir pastabos

Yra medžiagų, kurios turi neigiamą šiluminio plėtimosi koeficientą tam tikruose temperatūrų diapazonuose arba kurios sąveikauja sudėtingai (anizotropiškos kristalinės struktūros). Pvz., vanduo turi tankio maksimumą ties 4 °C, todėl vandenyje vyksta vadinamoji anomalija (nuo 0 °C iki 4 °C elgesys yra priešingas įprastam). Yra ir specialių cheminių junginių (pvz., kai kurie oksidai), kurie pasižymi neigiamu tūrinio plėtimosi koeficientu tam tikrame temperatūros intervale. Tokiais atvejais reikalingi išsamūs matavimai ir modeliavimas.

Praktikoje reikėtų atsižvelgti į tai, kad formulės ΔL = αL0ΔT ir ΔV = βV0ΔT galioja mažuose temperatūros pokyčiuose; didesniuose diapazonuose α ir β priklauso nuo T ir reikia naudoti tinkamas temperatūros funkcijas arba eksperimentinius duomenis. Matavimams ir kontrolės sistemoms naudojami dilatometriniai prietaisai, termoreguliatoriai ir kiti sprendimai, leidžiantys saugiai ir efektyviai valdyti šiluminio plėtimosi pasekmes.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas fizikoje yra šiluminis plėtimasis?

K: Kas atsitinka pagrindinėms medžiagos dalelėms, kai ji kaitinama?

Klausimas: Ar medžiagos, kurios didėjant temperatūrai susitraukia, yra dažnos ar neįprastos?

K: Koks yra šiluminio plėtimosi koeficientas?

K: Ar šiluminis plėtimasis gali tapti problema traukiniams?

K: Kaip termometruose naudojamas šiluminis plėtimasis?

K: Ką daro traukinio bėgių stebėtojai, jei temperatūra tampa neįprastai aukšta?

Paieška pagal raidę