Išsiplėtimasterminis tai fizinis reiškinys, kylantis padidėjus kūno temperatūrai. Kai kūnas yra veikiamas kokio nors šaltinio šilumos, tavo temperatūra jis gali kisti, padidindamas molekulių, kurios svyruoja aplink didesnę erdvę, sujaudinimą.
Šis mikroskopinis molekulių vibracijos pokytis gali būti suvokiamas makroskopiniu mastu, pavyzdžiui, kai lieka geležinė juosta šiek tiek didesnis dėl kaitinimo.
tiesinis išsiplėtimas
Išsiplėtimaslinijinis kietosios medžiagos yra fizinis reiškinys, atsirandantis, kai linijinės formos kūnai, esantys kietoje būsenoje, pavyzdžiui, laidai, kabeliai, adatos, strypai, vamzdžiai, keičia temperatūrą. Norėdami apskaičiuoti tiesinio išsiplėtimo dydį, mes naudojame koeficientasįišsiplėtimaslinijinis medžiagos.
Linijinio šiluminio plėtimosi pavyzdžiai
Traukinio bėgių iškrypimas dėl didelės šilumos amplitudės dienos ir nakties ciklų metu. Dėl šio efekto naudojama plėtimosi jungtis, maža erdvė tarp dviejų iš eilės einančių strypų.
Variniai laidai, naudojami elektros srovei perduoti ant polių, visada yra didesni už atstumą tarp polių. Jei ne, šaltomis dienomis šie laidininkai patirs neigiamų ilgio pokyčių ir gali plyšti
paviršinis išsiplėtimas
Išsiplėtimasnegiliai kietųjų medžiagų yra kūno ploto, kuris yra kietoje būsenoje, padidėjimas dėl padidėjusios jo temperatūros. Kietosios medžiagos paviršiaus išsiplėtimo apskaičiavimas priklauso nuo jo koeficientasįišsiplėtimasnegiliai.
Paviršiaus šiluminio plėtimosi pavyzdžiai
Tarp plytelių lentų, naudojamų gyvenamųjų namų grindyse ir šaligatviuose, paliekama nedidelė laisva vieta, kurią užima skiedinys - akyta medžiaga, galinti sugerti dalį išplėtimo, kurį patiria dalys keramika.
Įprasta, kad mechanikai šildo veržlę, pritvirtintą prie varžto, kad ją pašalintų, nes kaitinant veržlė išsiplečia, palengvindama jos nuėmimą.
tūrinis išsiplėtimas
tūrinis išsiplėtimastai kūno apimties išplėtimas didinant jo temperatūrą. Tūrinis išsiplėtimas apskaičiuojamas pagal koeficientasįišsiplėtimastūrinis kūno.
Tūrinio šiluminio plėtimosi pavyzdžiai
Orlaivių fiuzeliažuose naudojami sraigtai gali būti dedami labai žemoje temperatūroje prieš juos sriegiant. Po sriegimo sraigto temperatūros padidėjimas išplečia jo matmenis, todėl vėliau jo beveik neįmanoma nuimti.
Šiluminio plėtimosi koeficientas
Nors kai kurių medžiagų temperatūra turi skirtis, kad jos išsiplėstų pastebima, kitų temperatūrą reikia keisti keliais laipsniais, kad jų temperatūra skirtųsi matmenys.
Vadinama fizikinė savybė, lemianti medžiagos lengvumą ar sunkumą, kai jos matmenys keičiasi temperatūros svyravimais šiluminio plėtimosi koeficientas.
Padidėjus temperatūrai, kūno molekulės pradeda užimti didesnę erdvę.
Pažiūrėktaip pat: Kalorimetrija
Kiekviena medžiaga turi savo šilumos plėtimosi koeficientą, kuris gali būti trijų skirtingų tipų: koeficientas išsiplėtimaslinijinis, negiliai ir tūrinis. Norėdami apskaičiuoti kūno patiriamą išsiplėtimą, naudojame tik vieną iš šių koeficientų, nustatytų pagal kūno pateiktą formą.
Nepaisant kenčiančio paviršiaus ir tūrinio išsiplėtimo, pailgi kūnai, turintys linijinę simetriją, pvz kabeliai ir laidai, kurių ilgis gali būti išplėstas daug didesnis nei jų srityje apimtis.
Išsiplėtimo koeficientai linijinis, negiliai ir tūrinis yra žymimi atitinkamai graikiškomis raidėmis α, βir γ, o jo matavimo vienetas yra ºC-1.
Kietųjų medžiagų šiluminio išsiplėtimo poveikis turi didelę komercinę ir technologinę reikšmę. Pavyzdžiui, pastatų statyboje naudojamos medžiagos, kurios dažnai būna veikiamos didelių, o kartais aštrių temperatūros pokyčių. Šiuo atveju būtina žinoti kiekvienos civilinėje statyboje naudojamos medžiagos išsiplėtimo koeficientus, kad būtų išvengta įtrūkimų ir kitų konstrukcinių defektų.
Kietųjų medžiagų plėtimosi koeficientų ryšys
Kūnai su skirtinga simetrija iš tos pačios medžiagos išgyvena skirtingas formas. Pavyzdžiui, geležinis strypas patiria tiesinį išsiplėtimą, o tos pačios medžiagos lakštas - paviršiaus išsiplėtimą. Taip yra todėl, kad paviršiaus išsiplėtimo koeficientas yra dvigubai didesnis nei išsiplėtimo koeficientas linijinis, o tūrinis išsiplėtimo koeficientas yra tris kartus didesnis nei plėtimosi koeficientas linijinis. Žiūrėti:
Nesustokite dabar... Po reklamos dar daugiau;)
α – tiesinis plėtimosi koeficientas
β – paviršiaus išsiplėtimo koeficientas
γ – tūrinis išsiplėtimo koeficientas
Terminis išsiplėtimas tiltuose
Šilumos plėtimosi poveikis yra ypač svarbus konstrukcijose, kurios negali deformuoti ar įtrūkti jų struktūros, pavyzdžiui, tiltuose. Štai kodėl tokio tipo konstrukcijose naudojamos kelios išsiplėtimo jungtys.
Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyta tilto plėtimosi jungtis. Žiūrėti:
Išsiplėtimo jungtys sumažina įtrūkimų tikimybę dėl tilto betono išsiplėtimo.
Terminio plėtimosi formulės
Patikrinkite toliau pateiktas formules, naudojamas apskaičiuojant kietųjų medžiagų tiesinį, paviršinį ir tūrinį išsiplėtimą.
Tiesinio išsiplėtimo formulė
Linijinio išsiplėtimo formulę galima pateikti dviem būdais: vienas apskaičiuoja galutinį kūno dydį, o kitas - ilgio kitimą, kurį patyrė išsiplėtimo metu:
L - galutinis ilgis
L0 - pradinis ilgis
ΔT - temperatūros kitimas
ΔL - ilgio kitimas
Paviršiaus išsiplėtimo formulė
Kaip ir tiesinio išsiplėtimo formulę, paviršiaus išsiplėtimo formulę taip pat galima parašyti dviem skirtingais būdais:
s - galutinis plotas
s0 - pradinis plotas
ΔT - temperatūros kitimas
S - ploto kitimas
Tūrinio išsiplėtimo formulė
Galiausiai turime išraiškas, leidžiančias apskaičiuoti galutinį kūno tūrį arba jo tūrio kitimą:
V - Galutinis tomas
V0 - pradinis tūris
ΔT - temperatūros kitimas
ΔV - tūrio kitimas
Santrauka
Kaitinant kietą medžiagą, jos molekulės pradeda vibruoti plačiau, užimdamos daugiau vietos. Atsižvelgiant į medžiagos kaitinimo ir išsiplėtimo koeficientą, efektą galima stebėti plika akimi.
Tos pačios vienalytės medžiagos (pagamintos iš vienos medžiagos) paviršiaus ir tūrinio išsiplėtimo koeficientai yra atitinkamai dvigubi ir trigubai didesni už tiesinį plėtimosi koeficientą.
Kiekvienas kūnas vienu metu patiria visų trijų tipų išsiplėtimą, tačiau vienas iš jų yra reikšmingesnis už kitus, nes jis yra labiau privilegijuotas kūno formos.
Šilumos plėtimosi pratimai
2,0 m ilgio geležinis strypas, kurio tiesinio plėtimosi koeficientas yra α = 1,2,10-5 ° C-1 jis yra kambario temperatūroje (25ºC). Tada šis kūnas yra veikiamas šilumos šaltinio, jo kaitinimo pabaigoje pasiekiama 100 ° C temperatūra.
Nustatyti:
a) baro plėtra.
b) galutinis juostos ilgis.
c) medžiagos, iš kurios pagaminta ši juosta, paviršiaus ir tūrinio išsiplėtimo koeficientus.
Rezoliucija
a) Norėdami apskaičiuoti juostos patiriamą išsiplėtimą, turime prisiminti, kad jo forma yra tiesinė, taigi tai yra svarbiausia išplėtimo forma, kurią ji patyrė. Naudodami tiesinio išsiplėtimo formulę, turėsime:
Pagal pirmiau pateiktą rezultatą, šios juostos ilgis būtų 1,8 mm.
b) Galutinį strypo ilgį galima lengvai rasti, nes mes jau žinome jo patiriamą išsiplėtimą. Jo galutinis ilgis bus 2,0018 m (2 metrai ir 1,8 mm)
c) Paviršiaus ir tūrio plėtimosi koeficientai yra tiesinio išsiplėtimo koeficiento kartotiniai. Jų vertės yra atitinkamai 2,4.10-5 ° C-1ir 3,6.10-5 ° C-1.
Mano. Rafaelis Helerbrockas
Nustatykite 5,0 m ilgio vienalytės plieninės sijos paviršiaus išsiplėtimo koeficiento modulį, kurio kaitinant iki 50 ° C linijinis išsiplėtimas yra 5,10-3 m.
Žinant, kad kietos ir vienalytės medžiagos pastovus tūrinis išsiplėtimo koeficientas yra lygus 1.2.10-5 ° C-1, nustatykite šios medžiagos paviršiaus išsiplėtimo koeficientą ir patikrinkite teisingą alternatyvą:
