Utvidgningtermisk det är ett fysiskt fenomen som härrör från en kroppstemperatur. När en kropp utsätts för någon källa till värme, din temperatur det kan genomgå variationer, vilket ökar omrörningen av molekylerna, som svänger runt ett större utrymme.
Denna mikroskopiska variation i molekylernas vibrationer kan uppfattas i en makroskopisk skala, som när en järnstång stannar Lite större som ett resultat av uppvärmning.
linjär utvidgning
Utvidgninglinjär av fasta ämnen är det fysiska fenomenet som uppstår när linjärt formade kroppar som är i fast tillstånd, såsom trådar, kablar, nålar, stänger, rör, genomgår en temperaturvariation. För att beräkna storleken på den linjära utvidgningen använder vi koefficientiutvidgninglinjär av material.
Exempel på linjär termisk expansion
Vridning av tågspår på grund av den stora termiska amplituden under dag- och nattcykler. På grund av denna effekt används expansionskopplingen, ett litet mellanrum mellan två på varandra följande staplar.
Koppartrådarna som används vid överföring av elektrisk ström på polerna är alltid större än avståndet mellan polerna. Om de inte gjorde det på kalla dagar skulle dessa ledare drabbas av negativa variationer i längd och kan drabbas av bristningar
ytlig utvidgning
Utvidgninggrund av fasta ämnen är variationen i området för en kropp som är i fast tillstånd på grund av en ökning av dess temperatur. Beräkningen av ytans expansion av ett fast ämne beror på dess koefficientiutvidgninggrund.
Exempel på ytvärmeutvidgning
Mellan kakelbrädorna, som används i bostadsgolv och trottoarer, finns ett litet ledigt utrymme kvar, som är upptagen av injekteringsbruk, ett poröst material som kan absorbera en del av den expansion som delarna drabbas av keramik.
Det är vanligt att se mekaniker värma en mutter fäst vid en bult för att ta bort den, eftersom uppvärmningen får muttern att utvidgas, vilket underlättar dess borttagning.
volymetrisk utvidgning
volymetrisk utvidgningdet är expansionen av kroppens volym genom att öka dess temperatur. Den volymetriska expansionen beräknas från koefficientiutvidgningvolymetrisk av kroppen.
Exempel på volymetrisk termisk expansion
Skruvar som används i flygplanskroppar kan placeras vid mycket låga temperaturer innan de gängas. Efter gängning utökar skruvtemperaturens dimensioner, vilket gör det nästan omöjligt att ta bort det senare.
Värmeutvidgningskoefficient
Medan vissa material måste genomgå enorma temperaturvariationer för att deras expansion ska bli märkbar, andra måste ha sin temperatur varierad med några grader så att skillnader i deras mått.
Den fysiska egenskapen som bestämmer lättheten eller svårigheten för materialet som ändrar sina dimensioner genom en temperaturvariation kallas värmeutvidgningskoefficient.
Med temperaturökningen börjar kroppens molekyler uppta ett större utrymme.
Seockså: Kalorimetri
Varje material har sin egen termiska expansionskoefficient, som kan vara av tre olika typer: koefficient för utvidgninglinjär, grund och volymetrisk. För att beräkna expansionen som en kropp drabbas av använder vi bara en av dessa koefficienter, bestämda utifrån kroppens form.
Trots lidande yta och volymetrisk utvidgning har långsträckta kroppar som har linjär symmetri, t.ex. kablar och ledningar, expanderas i sin längd som är mycket större än expansionen i deras område eller volym.
Expansionskoefficienterna linjär, grund och volymetrisk betecknas med de grekiska bokstäverna α, βoch γ, och dess måttenhet är ºC-1.
Effekten av termisk expansion av fasta ämnen är av stor kommersiell och teknisk betydelse. I byggkonstruktionen används till exempel material som ofta utsätts för stora och ibland kraftiga temperaturvariationer. I detta fall är det viktigt att känna till expansionskoefficienterna för varje material som används i civil konstruktion för att undvika att sprickor och andra strukturella defekter uppträder.
Förhållandet mellan utvidgningskoefficienter för fasta ämnen
Kroppar med olika symmetrier gjorda av samma material genomgår olika former av expansion. En järnstång genomgår till exempel linjär expansion, medan en plåt av samma material genomgår en utvidgning av ytan. Detta beror på att ytutvidgningskoefficienten är dubbelt så stor som utvidgningskoefficienten linjär, medan den volymetriska expansionskoefficienten är tre gånger större än expansionskoefficienten linjär. Kolla på:
Sluta inte nu... Det finns mer efter reklam;)
α – linjär expansionskoefficient
β – ytutvidgningskoefficient
γ – volymetrisk expansionskoefficient
Termisk utvidgning i broar
Effekterna av värmeutvidgning är särskilt viktiga i konstruktioner som inte kan deformera eller spricka deras struktur, såsom broar. Därför används i denna typ av konstruktion flera expansionsfogar.
Bilden nedan visar en bros expansionsfog. Kolla på:
Expansionsfogar minskar risken för sprickor till följd av betongens expansion i broarna.
Formella expansionsformler
Kontrollera nedan de formler som används för att beräkna linjära, ytliga och volymetriska utvidgningar av fasta ämnen.
Linjär utvidgningsformel
Den linjära utvidgningsformeln kan presenteras på två sätt: ett för att beräkna den slutliga kroppsstorleken och ett annat för att beräkna längdvariationen under utvidgningen:
L - slutlig längd
L0 - initial längd
AT - temperaturvariation
AL - längdvariation
Ytvidgningsformel
Liksom den linjära expansionsformeln kan ytutvidgningsformeln också skrivas på två olika sätt:
s - sista området
s0 - initialt område
AT - temperaturvariation
S - områdesvariation
Volymetrisk expansionsformel
Slutligen har vi uttrycken som gör att vi kan beräkna kroppens slutliga volym eller dess volymvariation:
V - Slutlig volym
V0 - initial volym
AT - temperaturvariation
AV - volymvariation
Sammanfattning
När ett fast ämne värms upp börjar dess molekyler att vibrera mer och tar mer plats. Beroende på materialets uppvärmning och expansionskoefficient kan effekten observeras med blotta ögat.
Yt- och volymetriska expansionskoefficienter för samma homogena material (tillverkat av en enda substans) är respektive dubbla och tredubbla den linjära expansionskoefficienten.
Varje kropp genomgår alla tre typer av utvidgning samtidigt, men en av dem är mer betydelsefull än de andra, eftersom den är mer privilegierad av kroppens form.
Övningar på termisk expansion
En 2,0 m lång järnstång vars linjära expansionskoefficient är α = 1.2.10-5 ° C-1 den är vid rumstemperatur (25 ºC). Denna kropp utsätts sedan för en värmekälla och når slutet av uppvärmningen en temperatur på 100 ° C.
Bestämma:
a) barens expansion.
b) stångens slutliga längd.
c) ytan och volymetriska expansionskoefficienter för materialet från vilket denna stång är tillverkad.
Upplösning
a) För att beräkna den expansion som baren lidit måste vi komma ihåg att dess form är linjär, så detta är den viktigaste expansionsformen som den drabbas av. Med den linjära utvidgningsformeln har vi:
Enligt ovanstående resultat skulle denna stång genomgå en expansion på 1,8 mm i längd.
b) Den slutliga längden på stången kan lätt hittas, eftersom vi redan känner till den expansion som den drabbats av. Dess slutliga längd blir 2.0018 m (2 meter och 1,8 mm)
c) Ytan och volymetriska expansionskoefficienter är multiplar av den linjära expansionskoefficienten. Deras värden är respektive 2,4.10-5 ° C-1och 3,6.10-5 ° C-1.
Av mig Rafael Helerbrock
Bestäm modulen för ytutvidgningskoefficienten för en 5,0 m lång homogen stålbalk som vid uppvärmning till 50 ° C har en linjär expansion av 5,10-3 m.
Att veta att ett fast och homogent material har en konstant volymetrisk expansionskoefficient lika med 1.2.10-5 ° C-1, bestäm koefficienten för ytans expansion av detta material och kontrollera rätt alternativ:
