Proširenjetoplinska to je fizički fenomen koji proizlazi iz povišenja temperature tijela. Kada je tijelo izloženo nekom izvoru toplina, vaš temperatura može doživjeti varijacije, povećavajući uznemirenost molekula koje osciliraju oko većeg prostora.
Ova se mikroskopska varijacija vibracije molekula može opaziti na makroskopskoj skali, kao kad željezna šipka ostane nešto veći kao rezultat zagrijavanja.
linearna dilatacija
Proširenjelinearno čvrste tvari fizički je fenomen koji se događa kada tijela linearnog oblika koja su u čvrstom stanju, poput žica, kabela, igala, šipki, cijevi, podvrgnuta temperaturnim promjenama. Za izračunavanje veličine linearne dilatacije koristimo koeficijentudilatacijalinearno materijala.
Primjeri linearnog toplinskog širenja
Iskrivljenost željezničkih pruga zbog velike toplinske amplitude tijekom dnevnih i noćnih ciklusa. Zbog ovog učinka koristi se dilatacijski spoj, mali razmak između dvije uzastopne šipke.
Bakrene žice koje se koriste za prijenos električne struje na polovima uvijek su veće od udaljenosti između polova. Da nisu, u hladnim danima ovi bi vodiči trpjeli negativne razlike u duljini i mogli bi pretrpjeti puknuća
površinsko širenje
Proširenjeplitko krutina je promjena na području tijela koje se nalazi u krutom stanju zbog povećanja njegove temperature. Izračun površinskog širenja krutine ovisi o njezinu koeficijentudilatacijaplitko.
Primjeri površinskog toplinskog širenja
Između ploča pločica, koje se koriste u stambenim podovima i pločnicima, ostaje malo slobodnog prostora, koju zauzima injekcijska masa, porozni materijal koji može apsorbirati dio širenja pretrpljenog dijelovima keramika.
Uobičajeno je vidjeti mehaničare koji zagrijavaju maticu pričvršćenu na vijak kako bi je uklonili, jer zagrijavanje uzrokuje širenje matice, olakšavajući njezino uklanjanje.
volumetrijsko širenje
volumetrijsko širenjeto je širenje volumena tijela povećanjem njegove temperature. Volumetrijsko širenje izračunava se iz koeficijentudilatacijavolumetrijski tijela.
Primjeri volumetrijskog toplinskog širenja
Vijci koji se koriste u trupovima zrakoplova mogu se postaviti na vrlo niske temperature prije navoja. Nakon navoja, povećanje temperature vijka proširuje njegove dimenzije, što ga čini gotovo nemogućim kasnije ukloniti.
Koeficijent toplinskog širenja
Dok neki materijali moraju pretrpjeti velike temperaturne varijacije da bi postali ekspanzijski uočljivo, drugima temperatura treba varirati za nekoliko stupnjeva tako da razlike u njihovim temperaturama variraju dimenzije.
Pozvano je fizičko svojstvo koje određuje lakoću ili poteškoću materijala s promjenom dimenzija promjenom temperature koeficijent toplinskog širenja.
S porastom temperature molekule tijela počinju zauzimati veći prostor.
Izgledtakođer: Kalorimetrija
Svaki materijal ima svoj koeficijent toplinskog širenja, koji može biti tri različite vrste: koeficijent dilatacijalinearno, plitko i volumetrijski. Za izračunavanje širenja koje pretrpi tijelo, koristimo samo jedan od ovih koeficijenata, određenih prema obliku koji tijelo predstavlja.
Unatoč patnji površinske i volumetrijske dilatacije, izdužena tijela koja imaju linearnu simetriju, kao što su kabeli i žice, podložni su ekspanziji u svojoj duljini mnogo većoj od ekspanzije u njihovom području ili volumen.
Koeficijenti širenja linearno, plitko i volumetrijski označeni su grčkim slovima α, β, i γ, a mjerna jedinica mu je ºC-1.
Učinak toplinskog širenja krutina od velike je komercijalne i tehnološke važnosti. Na primjer, u gradnji zgrada koriste se materijali koji su često izloženi velikim, a ponekad i oštrim promjenama temperature. U ovom je slučaju neophodno znati koeficijente širenja svakog materijala koji se koristi u civilnoj gradnji kako bi se izbjegla pojava pukotina i drugih strukturnih nedostataka.
Povezanost koeficijenata ekspanzije čvrstih tvari
Tijela s različitim simetrijama izrađena od istog materijala podvrgavaju se različitim oblicima ekspanzije. Na primjer, željezna šipka prolazi kroz linearno širenje, dok list istog materijala prolazi kroz površinsko širenje. To je zato što je koeficijent površinskog širenja dvostruko veći od koeficijenta širenja linearno, dok je volumetrijski koeficijent širenja tri puta veći od koeficijenta širenja linearno. Gledati:
Ne zaustavljaj se sada... Ima još toga nakon oglašavanja;)
α – koeficijent linearnog širenja
β – koeficijent površinskog širenja
γ – koeficijent volumetrijskog širenja
Toplinsko širenje u mostovima
Učinci toplinskog širenja posebno su važni u konstrukcijama koje ne mogu deformirati ili ispucati svoju strukturu, poput mostova. Zato se u ovoj vrsti konstrukcije koristi nekoliko dilatacijskih spojeva.
Na slici dolje prikazan je dilatacijski spoj mosta. Gledati:
Dilatacijski spojevi smanjuju šanse za pucanje kao rezultat širenja betona u mostovima.
Formule toplinskog širenja
U nastavku provjerite formule korištene za izračunavanje linearnih, površinskih i volumetrijskih ekspanzija krutina.
Formula linearne dilatacije
Formula linearnog širenja može se predstaviti na dva načina: jedan za izračunavanje konačne veličine tijela i drugi za izračunavanje promjene duljine pretrpljene tijekom širenja:
L - konačna duljina
L0 - početna duljina
ΔT - varijacija temperature
ΔL - varijacija duljine
Formula površinske dilatacije
Poput formule linearnog širenja, formula površinskog širenja također se može napisati na dva različita načina:
s - završno područje
s0 - početno područje
ΔT - varijacija temperature
S - varijacija površine
Formula volumetrijskog širenja
Napokon, imamo izraze koji nam omogućuju izračunavanje konačnog volumena tijela ili njegove volumetrijske varijacije:
V - Završni svezak
V0 - početni volumen
ΔT - varijacija temperature
ΔV - varijacija volumena
Sažetak
Kada se krutina zagrije, molekule joj počinju vibrirati šire, zauzimajući više prostora. Ovisno o koeficijentu zagrijavanja i širenja materijala, učinak se može promatrati golim okom.
Koeficijenti površinske i volumetrijske ekspanzije istog homogenog materijala (izrađeni od jedne tvari) dvostruko su i trostruko linearni koeficijenti ekspanzije.
Svako se tijelo istodobno podvrgava svim trima vrstama širenja, međutim, jedna od njih je značajnija od ostalih, jer je privilegiranija oblikom tijela.
Vježbe za toplinsko širenje
Željezna šipka duljine 2,0 m čiji je koeficijent linearnog širenja α = 1,2,10-5 ° C-1 na sobnoj je temperaturi (25 ° C). To je tijelo zatim izloženo izvoru topline, postižući na kraju zagrijavanja temperaturu od 100 ° C.
Odredite:
a) ekspanzija koju pretrpi šipka.
b) konačna duljina šipke.
c) površinski i volumetrijski koeficijenti širenja materijala od kojeg je izrađena ova šipka.
Razlučivost
a) Da bismo izračunali širenje koje pretrpi šipka, moramo imati na umu da je njegov oblik ravan, pa je ovo najvažniji oblik širenja koji je pretrpio. Koristeći formulu linearne dilatacije imat ćemo:
Prema gore navedenom rezultatu, ova bi šipka prošla proširenje od 1,8 mm u svojoj duljini.
b) Konačna duljina šipke može se lako pronaći, jer već znamo širenje koje je pretrpjelo. Njegova konačna duljina bit će 2,0018 m (2 metra i 1,8 mm)
c) Koeficijenti površinskog i volumetrijskog širenja višestruki su od linearnog koeficijenta širenja. Njihove vrijednosti su, 2,4.10-5 ° C-1i 3,6.10-5 ° C-1.
Ja, Rafael Helerbrock
Odredite modul koeficijenta površinskog širenja homogene čelične grede duljine 5,0 m koja, kada se zagrije na 50 ° C, ima linearno širenje 5,10-3 m.
Znajući da čvrsti i homogeni materijal ima stalni koeficijent volumetrijskog širenja jednak 1.2.10-5 ° C-1, odredite koeficijent površinskog širenja ovog materijala i provjerite ispravnu alternativu:
