dilatatiethermisch het is een fysiek fenomeen dat voortkomt uit een verhoging van de temperatuur van een lichaam. Wanneer een lichaam wordt blootgesteld aan een bron van warmte, jouw temperatuur- het kan variaties ondergaan, waardoor de agitatie van de moleculen, die rond een grotere ruimte oscilleren, toeneemt.
Deze microscopische variatie in de trilling van moleculen kan op macroscopische schaal worden waargenomen, zoals wanneer een ijzeren staaf blijft iets groter als gevolg van verwarming.
lineaire dilatatie
dilatatielineair van vaste stoffen is het fysieke fenomeen dat optreedt wanneer lineair gevormde lichamen in vaste toestand, zoals draden, kabels, naalden, staven, pijpen, een temperatuurvariatie ondergaan. Om de grootte van de lineaire dilatatie te berekenen, gebruiken we de coëfficiëntinverwijdinglineair van materiaal.
Voorbeelden van lineaire thermische uitzetting
Kromtrekken van treinsporen door de grote thermische amplitude tijdens dag- en nachtcycli. Vanwege dit effect wordt de dilatatievoeg gebruikt, een kleine ruimte tussen twee opeenvolgende staven.
De koperdraden die worden gebruikt bij de overdracht van elektrische stroom op polen zijn altijd groter dan de afstand tussen de polen. Als ze dat niet waren, zouden deze geleiders op koude dagen negatieve variaties in hun lengte hebben en zouden ze kunnen scheuren
oppervlakkige verwijding
dilatatieoppervlakkig van vaste stoffen is de variatie in het gebied van een lichaam dat zich in de vaste toestand bevindt door een toename van de temperatuur. De berekening van de oppervlakte-uitzetting van een vaste stof hangt af van zijn coëfficiëntinverwijdingoppervlakkig.
Voorbeelden van thermische uitzetting van het oppervlak
Tussen de tegelplaten, gebruikt in woonvloeren en trottoirs, blijft een kleine vrije ruimte over, die wordt ingenomen door de mortel, een poreus materiaal dat een deel van de uitzetting die door de onderdelen wordt geleden, kan absorberen keramiek.
Het is gebruikelijk om te zien dat monteurs een moer verwarmen die aan een bout is bevestigd om deze te verwijderen, omdat de verwarming ervoor zorgt dat de moer uitzet, waardoor het verwijderen ervan wordt vergemakkelijkt.
volumetrische dilatatie
volumetrische dilatatiehet is de uitbreiding van het volume van een lichaam door de temperatuur te verhogen. De volumetrische uitzetting wordt berekend uit de coëfficiëntinverwijdingvolumetrisch van het lichaam.
Voorbeelden van volumetrische thermische uitzetting
Schroeven die in vliegtuigrompen worden gebruikt, kunnen bij zeer lage temperaturen worden geplaatst voordat ze worden geschroefd. Na het inrijgen breidt de temperatuurstijging van de schroef de afmetingen uit, waardoor het bijna onmogelijk is om deze later te verwijderen.
Thermische expansiecoëfficiënt
Terwijl sommige materialen enorme temperatuurschommelingen moeten ondergaan om hun uitzetting te laten worden merkbaar zijn, moeten anderen hun temperatuur met een paar graden laten variëren, zodat verschillen in hun dimensies.
De fysieke eigenschap die het gemak of de moeilijkheid bepaalt van het materiaal waarvan de afmetingen zijn veranderd door een temperatuurvariatie, wordt genoemd thermische expansiecoëfficiënt.
Met de toename van de temperatuur beginnen de moleculen van een lichaam een grotere ruimte in te nemen.
Kijkenook: Calorimetrie
Elk materiaal heeft zijn eigen thermische uitzettingscoëfficiënt, die van drie verschillende typen kan zijn: coëfficiënt van verwijdinglineair, oppervlakkig en volumetrisch. Om de uitzetting te berekenen die een lichaam ondervindt, gebruiken we slechts één van deze coëfficiënten, bepaald op basis van de vorm die door het lichaam wordt gepresenteerd.
Ondanks het lijden aan oppervlakte- en volumetrische dilatatie, langwerpige lichamen met lineaire symmetrie, zoals: kabels en draden, zijn onderhevig aan uitzetting in hun lengte die veel groter is dan de uitzetting in hun gebied of volume.
De uitzettingscoëfficiënten lineair, oppervlakkig en volumetrisch worden respectievelijk aangeduid met de Griekse letters α, β, en γ, en de meeteenheid is ºC-1.
Het effect van thermische uitzetting van vaste stoffen is van groot commercieel en technologisch belang. In de bouw wordt bijvoorbeeld gebruik gemaakt van materialen die vaak worden blootgesteld aan grote en soms scherpe temperatuurschommelingen. In dit geval is het essentieel om de uitzettingscoëfficiënten te kennen van elk materiaal dat wordt gebruikt in de civiele constructie om scheuren en andere structurele defecten te voorkomen.
Verband tussen uitzettingscoëfficiënten van vaste stoffen
Lichamen met verschillende symmetrieën gemaakt van hetzelfde materiaal ondergaan verschillende vormen van expansie. Een ijzeren staaf ondergaat bijvoorbeeld lineaire uitzetting, terwijl een plaat van hetzelfde materiaal oppervlakte-uitzetting ondergaat. Dit komt omdat de oppervlakte-uitzettingscoëfficiënt tweemaal de uitzettingscoëfficiënt is lineair, terwijl de volumetrische uitzettingscoëfficiënt drie keer groter is dan de uitzettingscoëfficiënt lineair. Kijk maar:
Niet stoppen nu... Er is meer na de reclame ;)
α – lineaire uitzettingscoëfficiënt
β – oppervlakte-uitzettingscoëfficiënt
γ – volumetrische uitzettingscoëfficiënt
Thermische dilatatie in bruggen
De effecten van thermische uitzetting zijn vooral belangrijk in constructies die hun structuur niet kunnen vervormen of scheuren, zoals bruggen. Daarom worden bij dit type constructie meerdere dilatatievoegen gebruikt.
Onderstaande afbeelding toont de uitzettingsvoeg van een brug. Kijk maar:
Dilatatievoegen verminderen de kans op scheurvorming als gevolg van de uitzetting van het beton in de bruggen.
Thermische uitzettingsformules
Bekijk hieronder de formules die worden gebruikt om de lineaire, oppervlakkige en volumetrische uitzettingen van vaste stoffen te berekenen.
Lineaire dilatatieformule:
De formule voor lineaire dilatatie kan op twee manieren worden weergegeven: een om de uiteindelijke lichaamsgrootte te berekenen en een andere om de lengtevariatie te berekenen die tijdens de dilatatie wordt opgelopen:
L – uiteindelijke lengte
L0 – aanvankelijke lengte
T - temperatuurvariatie
L – lengte variatie
Formule voor oppervlakteverwijding
Net als de formule voor lineaire uitzetting, kan de formule voor oppervlakte-uitbreiding ook op twee verschillende manieren worden geschreven:
zo – laatste gebied
zo0 – begingebied
T - temperatuurvariatie
S- gebiedsvariatie
Volumetrische expansie formule
Ten slotte hebben we de uitdrukkingen waarmee we het uiteindelijke volume van een lichaam of de volumetrische variatie ervan kunnen berekenen:
V - Eindvolume
V0 – beginvolume
T - temperatuurvariatie
V – volume variatie
Samenvatting
Wanneer een vaste stof wordt verwarmd, beginnen de moleculen ervan breder te trillen en nemen ze meer ruimte in beslag. Afhankelijk van de verhittings- en uitzettingscoëfficiënt van het materiaal kan het effect met het blote oog worden waargenomen.
De oppervlakte- en volumetrische uitzettingscoëfficiënten van hetzelfde homogene materiaal (gemaakt van een enkele stof) zijn respectievelijk het dubbele en driedubbele van de lineaire uitzettingscoëfficiënt.
Elk lichaam ondergaat alle drie soorten verwijding tegelijkertijd, maar een van hen is belangrijker dan de andere, omdat het meer bevoorrecht is door de vorm van het lichaam.
Oefeningen op thermische uitzetting
Een ijzeren staaf met een lengte van 2,0 m waarvan de lineaire uitzettingscoëfficiënt α=1.2.10. is-5 °C-1 het is op kamertemperatuur (25ºC). Dit lichaam wordt vervolgens blootgesteld aan een warmtebron en bereikt aan het einde van zijn verhitting een temperatuur van 100°C.
Bepalen:
a) de door de balie geleden expansie.
b) de uiteindelijke lengte van de staaf.
c) de oppervlakte- en volumetrische uitzettingscoëfficiënten van het materiaal waaruit deze staaf is gemaakt.
Resolutie
a) Om de uitzetting van de staaf te berekenen, moeten we onthouden dat de vorm lineair is, dus dit is de belangrijkste vorm van uitzetting die erdoor wordt geleden. Met behulp van de lineaire dilatatieformule krijgen we:
Volgens het bovenstaande resultaat zou deze staaf een uitzetting van 1,8 mm in zijn lengte ondergaan.
b) De uiteindelijke lengte van de staaf kan gemakkelijk worden gevonden, omdat we de uitzetting die erdoor wordt geleden al kennen. De uiteindelijke lengte zal zijn: 2.0018 m (2 meter en 1,8 mm)
c) De oppervlakte- en volumetrische uitzettingscoëfficiënten zijn veelvouden van de lineaire uitzettingscoëfficiënt. Hun waarden zijn respectievelijk 2,4.10-5 °C-1en 3,6.10-5 °C-1.
Door mij Rafael Helerbrock
Bepaal de modulus van de oppervlakte-uitzettingscoëfficiënt van een 5,0 m lange homogene stalen balk die, bij verhitting tot 50 °C, een lineaire uitzetting heeft van 5,10-3 m.
Wetende dat een vast en homogeen materiaal een constante volumetrische uitzettingscoëfficiënt heeft gelijk aan 1,2.10-5 °C-1, bepaal de oppervlakte-uitzettingscoëfficiënt van dit materiaal en controleer het juiste alternatief:
