Udvidelsetermisk det er et fysisk fænomen som følge af en stigning i kroppens temperatur. Når et legeme udsættes for en eller anden kilde til varme, dit temperatur det kan gennemgå variationer og øge omrøringen af molekylerne, som svinger omkring et større rum.
Denne mikroskopiske variation i molekylernes vibrationer kan opfattes i en makroskopisk skala, som når en jernstang forbliver lidt større som et resultat af opvarmning.
lineær udvidelse
Udvidelselineær af faste stoffer er det fysiske fænomen, der opstår, når lineære formede legemer, der er i fast tilstand, såsom ledninger, kabler, nåle, stænger, rør, gennemgår en temperaturvariation. For at beregne størrelsen af den lineære udvidelse bruger vi koefficientiudvidelselineær af materiale.
Eksempler på lineær termisk ekspansion
Bøjning af togspor på grund af den store termiske amplitude i løbet af dagen og natten. På grund af denne effekt anvendes ekspansionsfugen, et lille mellemrum mellem to på hinanden følgende stænger.
Kobbertrådene, der anvendes til transmission af elektrisk strøm på poler, er altid større end afstanden mellem polerne. Hvis de ikke var, på kolde dage, ville disse ledere lide negative variationer i deres længde og kan lide brud
overfladisk udvidelse
Udvidelseoverfladisk af faste stoffer er variationen i området af et legeme, der er i fast tilstand på grund af en stigning i dets temperatur. Beregningen af et faststofs overfladeudvidelse afhænger af dets koefficientiudvidelseoverfladisk.
Eksempler på overfladetermisk ekspansion
Mellem flisebrædderne, der bruges i boliggulve og fortove, er der en lille ledig plads tilbage, som er optaget af injektionsmørtel, et porøst materiale, der er i stand til at absorbere en del af den ekspansion, som delene har lidt keramik.
Det er almindeligt at se mekanikerne opvarme en møtrik fastgjort til en bolt for at fjerne den, da opvarmningen får møtrikken til at udvides, hvilket letter dens fjernelse.
volumetrisk udvidelse
volumetrisk udvidelsedet er udvidelsen af kroppens volumen ved at øge dets temperatur. Den volumetriske ekspansion beregnes ud fra koefficientiudvidelsevolumetrisk af kroppen.
Eksempler på volumetrisk termisk ekspansion
Skruer, der bruges i flykropper, kan placeres ved meget lave temperaturer, inden de gevindskæres. Efter gevindskæring udvider skruens temperaturforøgelse sine dimensioner, hvilket gør det næsten umuligt at fjerne det senere.
Termisk ekspansionskoefficient
Mens nogle materialer skal undergå enorme temperaturvariationer for at deres ekspansion kan blive bemærkelsesværdigt, andre har brug for at have deres temperatur varieret med et par grader, så forskelle i deres dimensioner.
Den fysiske egenskab, der bestemmer letheden eller vanskeligheden ved, at materialet får dets dimensioner ændret ved en temperaturvariation, kaldes termisk ekspansionskoefficient.
Med temperaturstigningen begynder kroppens molekyler at optage et større rum.
Seogså: Kalorimetri
Hvert materiale har sin egen termiske ekspansionskoefficient, som kan være af tre forskellige typer: koefficient for udvidelselineær, overfladisk og volumetrisk. For at beregne den udvidelse, som en krop lider, bruger vi kun en af disse koefficienter, bestemt i henhold til den form, som kroppen præsenterer.
På trods af lidende overflade og volumetrisk udvidelse er aflange kroppe, der har lineær symmetri, såsom kabler og ledninger udsættes for udvidelse i deres længde meget større end udvidelsen i deres område eller bind.
Ekspansionskoefficienterne lineær, overfladisk og volumetrisk betegnes henholdsvis med de græske bogstaver α, βog γ, og dens måleenhed er ºC-1.
Effekten af termisk ekspansion af faste stoffer har stor kommerciel og teknologisk betydning. Bygningskonstruktion bruger f.eks. Materialer, der ofte udsættes for store og undertiden skarpe temperaturvariationer. I dette tilfælde er det vigtigt at kende ekspansionskoefficienterne for hvert materiale, der anvendes i civil konstruktion for at undgå at der opstår revner og andre strukturelle defekter.
Forholdet mellem udvidelseskoefficienter for faste stoffer
Kropper med forskellige symmetrier lavet af det samme materiale gennemgår forskellige former for ekspansion. En jernstang gennemgår for eksempel lineær ekspansion, mens et ark af det samme materiale gennemgår overfladeekspansion. Dette skyldes, at overfladeekspansionskoefficienten er dobbelt så stor som ekspansionskoefficienten lineær, mens den volumetriske ekspansionskoefficient er tre gange større end ekspansionskoefficienten lineær. Holde øje:
Stop ikke nu... Der er mere efter reklamen;)
α – lineær ekspansionskoefficient
β – overfladeekspansionskoefficient
γ – volumetrisk ekspansionskoefficient
Termisk udvidelse i broer
Virkningerne af termisk ekspansion er især vigtige i konstruktioner, der ikke kan deformere eller revne deres struktur, såsom broer. Derfor anvendes der i denne type konstruktion flere ekspansionsfuger.
Billedet nedenfor viser en bros ekspansionsfuge. Holde øje:
Ekspansionsfuger reducerer chancerne for revner som følge af ekspansionen af betonen i broerne.
Termiske ekspansionsformler
Tjek nedenfor de formler, der bruges til at beregne de lineære, overfladiske og volumetriske udvidelser af faste stoffer.
Lineær udvidelsesformel
Den lineære udvidelsesformel kan præsenteres på to måder: en til at beregne den endelige kropsstørrelse og en anden til at beregne længdevariationen, der er lidt under udvidelsen:
L - endelig længde
L0 - indledende længde
AT - temperaturvariation
ΔL - længde variation
Formel for udvidelse af overfladen
Ligesom den lineære ekspansionsformel kan overfladeekspansionsformlen også skrives på to forskellige måder:
s - sidste område
s0 - oprindeligt område
AT - temperaturvariation
S - områdevariation
Formel for volumetrisk ekspansion
Endelig har vi de udtryk, der giver os mulighed for at beregne det endelige volumen af et legeme eller dets volumetriske variation:
V - Endelig bind
V0 - indledende lydstyrke
AT - temperaturvariation
AV - volumenvariation
Resumé
Når et fast stof opvarmes, begynder dets molekyler at vibrere mere bredt og fylder mere plads. Afhængigt af materialets opvarmnings- og ekspansionskoefficient kan effekten observeres med det blotte øje.
Overflade- og volumetriske ekspansionskoefficienter for det samme homogene materiale (lavet af et enkelt stof) er henholdsvis dobbelt og tredoblet den lineære ekspansionskoefficient.
Hver krop gennemgår alle tre typer udvidelse samtidigt, men en af dem er mere signifikant end de andre, da den er mere privilegeret af kroppens form.
Øvelser på termisk ekspansion
En 2,0 m lang jernstang, hvis koefficient for lineær ekspansion er α = 1.2.10-5 ° C-1 det er ved stuetemperatur (25 ºC). Dette legeme udsættes derefter for en varmekilde og når ved afslutningen af opvarmningen en temperatur på 100 ° C.
Bestemme:
a) barens udvidelse.
b) bjælkens endelige længde.
c) overflade- og volumetriske ekspansionskoefficienter for det materiale, som denne bjælke er fremstillet af.
Løsning
a) For at beregne den ekspansion, som linjen har lidt, er vi nødt til at huske, at dens form er lineær, så dette er den vigtigste ekspansionsform, som den har lidt. Ved hjælp af den lineære udvidelsesformel har vi:
I henhold til ovenstående resultat vil denne stang gennemgå en udvidelse på 1,8 mm i længden.
b) Den endelige længde af stangen kan let findes, da vi allerede kender den udvidelse, den har lidt. Dens endelige længde vil være 2.0018 m (2 meter og 1,8 mm)
c) Overflade- og volumetriske ekspansionskoefficienter er multipla af den lineære ekspansionskoefficient. Deres værdier er henholdsvis 2,4.10-5 ° C-1og 3,6.10-5 ° C-1.
Af mig Rafael Helerbrock
Bestem modulet for overfladeekspansionskoefficienten for en 5,0 m lang homogen stålbjælke, som, når den opvarmes til 50 ° C, har en lineær ekspansion på 5,10-3 m.
At vide, at et fast og homogent materiale har en konstant volumetrisk ekspansionskoefficient lig med 1.2.10-5 ° C-1, bestem koefficienten for overfladeekspansion af dette materiale og kontroller det rigtige alternativ:
