Расширениетермический это физическое явление, возникающее из-за повышения температуры тела. Когда тело подвергается воздействию какого-либо источника нагревать, ваш температура он может претерпевать изменения, увеличивая волнение молекул, которые колеблются вокруг большего пространства.
Это микроскопическое изменение колебаний молекул можно ощутить в макроскопическом масштабе, как когда железный стержень остается немного больше в результате нагрева.
линейное расширение
Расширениелинейный твердые тела - это физическое явление, которое происходит, когда тела линейной формы, находящиеся в твердом состоянии, такие как провода, кабели, иглы, стержни, трубы, претерпевают изменение температуры. Чтобы вычислить величину линейного расширения, мы используем коэффициентврасширениелинейный материала.
Примеры линейного теплового расширения
Деформация железнодорожных путей из-за большой тепловой амплитуды при дневном и ночном циклах. Из-за этого эффекта используется компенсатор, небольшое пространство между двумя последовательными стержнями.
Медные провода, используемые для передачи электрического тока по полюсам, всегда больше, чем расстояние между полюсами. Если бы они этого не делали, в холодные дни эти проводники имели бы отрицательные отклонения в своей длине и могли бы порваться.
поверхностное расширение
Расширениемелкий твердых тел - это изменение площади тела, находящегося в твердом состоянии, из-за повышения его температуры. Расчет поверхностного расширения твердого тела зависит от его коэффициентврасширениемелкий.
Примеры теплового расширения поверхности
Между плиточными досками, используемыми в жилых полах и тротуарах, оставляют небольшое свободное пространство, который заполнен раствором, пористым материалом, способным поглотить часть расширения, вызванного деталями керамика.
Часто можно увидеть, как механики нагревают гайку, прикрепленную к болту, для ее снятия, поскольку нагрев вызывает расширение гайки, что облегчает ее снятие.
объемное расширение
объемное расширениеэто расширение объема тела за счет повышения его температуры. Объемное расширение рассчитывается из коэффициентврасширениеобъемный тела.
Примеры объемного теплового расширения
Винты, используемые в фюзеляжах самолетов, перед навинчиванием можно выдержать при очень низких температурах. После нарезания резьбы повышение температуры винта увеличивает его размеры, что делает практически невозможным его удаление позже.
Коэффициент теплового расширения
В то время как некоторые материалы должны подвергаться огромным колебаниям температуры, чтобы их расширение стало заметно, у других температура должна изменяться на несколько градусов, чтобы разница в их Габаритные размеры.
Физическое свойство, определяющее легкость или сложность изменения размеров материала при изменении температуры, называется коэффициент теплового расширения.
С повышением температуры молекулы тела начинают занимать большее пространство.
Посмотритетакже: Калориметрия
Каждый материал имеет свой коэффициент теплового расширения, который может быть трех различных типов: расширениелинейный, мелкий а также объемный. Чтобы рассчитать расширение, которое испытывает тело, мы используем только один из этих коэффициентов, определяемых в соответствии с формой, представленной телом.
Несмотря на поверхностное и объемное расширение, удлиненные тела с линейной симметрией, например кабели и провода, подвержены удлинению по длине намного большему, чем расширение в их площади или объем.
Коэффициенты разложения линейный, мелкий а также объемный обозначаются соответственно греческими буквами α, β, а также γ, и его единица измерения ºC-1.
Эффект теплового расширения твердых тел имеет большое коммерческое и технологическое значение. Например, в строительстве зданий используются материалы, которые часто подвергаются большим, а иногда и резким колебаниям температуры. В этом случае важно знать коэффициенты расширения каждого материала, используемого в гражданском строительстве, чтобы избежать появления трещин и других дефектов конструкции.
Связь между коэффициентами расширения твердых тел
Тела с разной симметрией, изготовленные из одного и того же материала, подвергаются разным формам расширения. Например, железный стержень подвергается линейному расширению, тогда как лист из того же материала подвергается расширению поверхности. Это связано с тем, что коэффициент расширения поверхности в два раза больше коэффициента расширения. линейный, а коэффициент объемного расширения в три раза больше, чем коэффициент расширения линейный. Смотреть:
Не останавливайся сейчас... После рекламы есть еще кое-что;)
α – коэффициент линейного расширения
β – коэффициент расширения поверхности
γ – коэффициент объемного расширения
Температурное расширение мостовидных протезов
Эффекты теплового расширения особенно важны в конструкциях, которые не могут деформировать или растрескивать свою структуру, таких как мосты. Поэтому в конструкции такого типа используется несколько компенсаторов.
На изображении ниже показан компенсатор моста. Смотреть:
Деформационные швы уменьшают вероятность растрескивания в результате расширения бетона в мостах.
Формулы теплового расширения
Проверьте ниже формулы, используемые для расчета линейного, поверхностного и объемного расширения твердых тел.
Формула линейного расширения
Формулу линейного расширения можно представить двумя способами: один для расчета окончательного размера тела, а другой - для расчета изменения длины во время расширения:
L - окончательная длина
L0 - начальная длина
ΔT - изменение температуры
ΔL - изменение длины
Формула расширения поверхности
Как и формула линейного расширения, формула расширения поверхности может быть записана двумя разными способами:
s - заключительная область
s0 - начальная площадь
ΔT - изменение температуры
S - изменение площади
Формула объемного расширения
Наконец, у нас есть выражения, позволяющие рассчитать окончательный объем тела или его объемную вариацию:
V - Окончательный объем
V0 - начальный объем
ΔT - изменение температуры
ΔV - изменение объема
Резюме
Когда твердое тело нагревается, его молекулы начинают более широко вибрировать, занимая больше места. В зависимости от коэффициента нагрева и расширения материала эффект можно наблюдать невооруженным глазом.
Коэффициенты поверхностного и объемного расширения одного и того же однородного материала (состоящего из одного вещества) соответственно в два и три раза превышают коэффициент линейного расширения.
Каждое тело подвергается всем трем типам расширения одновременно, однако один из них более значительный, чем другие, так как он более предпочтителен из-за формы тела.
Упражнения по тепловому расширению
Стальной пруток длиной 2,0 м с коэффициентом линейного расширения α = 1,2,10.-5 ° C-1 это при комнатной температуре (25ºC). Затем это тело подвергается воздействию источника тепла, температура которого в конце нагрева достигает 100 ° C.
Определять:
а) расширение штанги.
б) конечная длина планки.
c) коэффициенты поверхностного и объемного расширения материала, из которого изготовлен этот стержень.
разрешение
а) Чтобы рассчитать расширение стержня, мы должны помнить, что его форма является линейной, так что это наиболее важная форма расширения, которому подвергается стержень. Используя формулу линейного растяжения, мы получим:
Согласно приведенному выше результату, этот стержень будет расширяться на 1,8 мм по своей длине.
б) Конечная длина стержня может быть легко определена, так как мы уже знаем, какое расширение оно претерпевает. Его окончательная длина будет 2,0018 м (2 метра и 1,8 мм)
c) Коэффициенты поверхностного и объемного расширения кратны коэффициенту линейного расширения. Их значения соответственно равны 2,4.10-5 ° C-1а также 3,6.10-5 ° C-1.
Автор: Рафаэль Хелерброк
Определите модуль коэффициента расширения поверхности однородной стальной балки длиной 5,0 м, которая при нагревании до 50 ° C имеет линейное расширение 5,10-3 м.
Зная, что твердый и однородный материал имеет постоянный коэффициент объемного расширения, равный 1,2,10-5 ° C-1, определите коэффициент расширения поверхности этого материала и выберите правильный вариант:
