Розширеннятепловий це фізичне явище, що виникає внаслідок підвищення температури тіла. Коли тіло піддається якомусь джерелу тепло, ваш температури він може зазнавати змін, збільшуючи збудження молекул, які коливаються навколо більшого простору.
Ці мікроскопічні зміни вібрації молекул можна сприймати в макроскопічному масштабі, як коли залізний злиток залишається трохи більше в результаті нагрівання.
лінійне розширення
Розширеннялінійний твердих тіл - це фізичне явище, яке виникає, коли тіла з лінійною формою, що знаходяться в твердому стані, такі як дроти, кабелі, голки, прутки, труби, зазнають змін температури. Для обчислення величини лінійного розширення ми використовуємо коефіцієнтврозширеннялінійний матеріалу.
Приклади лінійного теплового розширення
Викривлення залізничних колій через велику теплову амплітуду в денний та нічний цикли. Через цей ефект використовується компенсатор, малий простір між двома послідовними брусками.
Мідні дроти, що використовуються для передачі електричного струму на полюсах, завжди перевищують відстань між полюсами. Якби не було, то в холодні дні ці провідники зазнали б негативних змін у своїй довжині, і вони могли б пошкодитись
поверхневе розширення
Розширеннянеглибокий твердих тіл - це зміна площі тіла, яке знаходиться у твердому стані внаслідок підвищення його температури. Розрахунок поверхневого розширення твердого тіла залежить від його коефіцієнтврозширеннянеглибокий.
Приклади поверхневого теплового розширення
Між плитковими дошками, що використовуються в житлових підлогах та тротуарах, залишається невеликий вільний простір, який зайнятий затіркою, пористим матеріалом, здатним поглинати частину розширення, зазнаного частинами кераміка.
Зазвичай можна спостерігати механіків, які нагрівають гайку, прикріплену до болта, щоб зняти її, оскільки нагрівання змушує гайку розширюватися, полегшуючи її зняття.
об'ємне розширення
об'ємне розширенняце розширення об’єму тіла за рахунок підвищення його температури. Об'ємне розширення обчислюється з коефіцієнтврозширенняоб'ємні тіла.
Приклади об'ємного теплового розширення
Гвинти, що використовуються в фюзеляжах літаків, можна встановлювати при дуже низьких температурах перед нарізанням різьбою. Після нарізування різьбою підвищення температури гвинта розширює його розміри, що робить майже неможливим його видалення пізніше.
Коефіцієнт теплового розширення
Хоча деякі матеріали повинні зазнавати величезних температурних перепадів, щоб їх розширення стало помітно, іншим температура повинна змінюватися на кілька градусів, щоб різниця в них розміри.
Називається фізична властивість, що визначає легкість або складність матеріалу із зміною його розмірів внаслідок зміни температури коефіцієнт теплового розширення.
Зі збільшенням температури молекули тіла починають займати більший простір.
Дивисьтакож: Калориметрія
Кожен матеріал має свій коефіцієнт теплового розширення, який може бути трьох різних типів: коефіцієнт розширеннялінійний, неглибокий і об'ємні. Для обчислення розширення, яке зазнає тіло, ми використовуємо лише один із цих коефіцієнтів, визначений відповідно до форми, представленої тілом.
Незважаючи на страждаючу поверхню та об'ємне розширення, подовжені тіла, що мають лінійну симетрію, такі як кабелі та дроти, підлягають розширенню за своєю довжиною набагато більшим, ніж розширення в їх площі або гучність.
Коефіцієнти розширення лінійний, неглибокий і об'ємні позначаються відповідно грецькими літерами α, β, і γ, а одиниця виміру - ºC-1.
Ефект термічного розширення твердих речовин має велике комерційне та технологічне значення. Наприклад, для будівництва будівель використовуються матеріали, які часто піддаються великим, а іноді і різким перепадам температур. У цьому випадку важливо знати коефіцієнти розширення кожного матеріалу, що використовується в цивільному будівництві, щоб уникнути появи тріщин та інших конструктивних дефектів.
Зв'язок між коефіцієнтами розширення твердих тіл
Тіла з різною симетрією, виготовлені з одного і того ж матеріалу, зазнають різних форм розширення. Наприклад, залізний пруток зазнає лінійного розширення, тоді як лист того ж матеріалу - поверхневого розширення. Це пояснюється тим, що коефіцієнт розширення поверхні вдвічі більший за коефіцієнт розширення лінійний, тоді як об'ємний коефіцієнт розширення втричі перевищує коефіцієнт розширення лінійний. Дивитися:
Не зупиняйтесь зараз... Після реклами є ще щось;)
α – коефіцієнт лінійного розширення
β – коефіцієнт поверхневого розширення
γ – об'ємний коефіцієнт розширення
Теплова дилатація в мостах
Ефекти теплового розширення особливо важливі в конструкціях, які не можуть деформувати або тріснути свою структуру, наприклад, мости. Ось чому в цьому типі конструкції використовується кілька компенсаторів.
На зображенні нижче показано компенсаційне з'єднання мосту. Дивитися:
Компенсатори зменшують ймовірність розтріскування в результаті розширення бетону в мостах.
Формули теплового розширення
Перевірте нижче формули, що використовуються для обчислення лінійних, поверхневих та об'ємних розкладів твердих тіл.
Формула лінійної дилатації
Формула лінійного розширення може бути представлена двома способами: одним для обчислення остаточного розміру тіла, а іншим для обчислення зміни довжини, що зазнала під час розширення:
L - остаточна довжина
L0 - початкова довжина
ΔT - коливання температури
ΔL - варіація довжини
Формула розширення поверхні
Як і формула лінійного розширення, формулу розширення поверхні також можна записати двома різними способами:
s - заключна площа
s0 - початкова площа
ΔT - коливання температури
S - варіація площі
Формула об'ємного розширення
Нарешті, ми маємо вирази, які дозволяють обчислити кінцевий об’єм тіла або його об’ємну варіацію:
V - Підсумковий том
V0 - початковий обсяг
ΔT - коливання температури
ΔV - варіація обсягу
Резюме
При нагріванні твердої речовини її молекули починають вібрувати ширше, займаючи більше місця. Залежно від коефіцієнта нагрівання та розширення матеріалу, ефект можна побачити неозброєним оком.
Коефіцієнти поверхневого та об'ємного розширення одного і того ж однорідного матеріалу (виготовленого з однієї речовини), відповідно, подвійні та потрійні коефіцієнти лінійного розширення.
Кожне тіло одночасно зазнає всіх трьох типів розширення, однак один із них є більш значущим, ніж інші, оскільки має більшу привілею форму тіла.
Вправи з теплового розширення
Залізний пруток довжиною 2,0 м, коефіцієнт лінійного розширення якого дорівнює α = 1,2,10-5 ° С-1 вона знаходиться при кімнатній температурі (25ºC). Потім це тіло піддається впливу джерела тепла, досягаючи в кінці свого нагрівання температури 100 ° C.
Визначте:
а) розширення, яке зазнало бару.
б) остаточна довжина бруска.
в) поверхневі та коефіцієнти об'ємного розширення матеріалу, з якого виготовлена ця планка.
Дозвіл
а) Щоб розрахувати розширення, яке зазнає стержень, нам слід пам’ятати, що його форма є лінійною, тож це найважливіша форма розширення, зазнаного ним. Використовуючи формулу лінійного розширення, ми матимемо:
Відповідно до наведеного результату, ця планка зазнає розширення довжиною 1,8 мм.
б) Остаточну довжину бруска можна легко знайти, оскільки ми вже знаємо про розширення, яке зазнало від нього. Його остаточна довжина буде 2,0018 м (2 метри та 1,8 мм)
в) Коефіцієнти поверхневого та об’ємного розширення кратні коефіцієнту лінійного розширення. Їх значення, відповідно, 2,4.10-5 ° С-1і 3,6.10-5 ° С-1.
Мені Рафаель Хелерброк
Визначте модуль коефіцієнта поверхневого розширення однорідної сталевої балки довжиною 5,0 м, яка при нагріванні до 50 ° С має лінійне розширення 5,10-3 м.
Знаючи, що твердий і однорідний матеріал має постійний об'ємний коефіцієнт розширення, що дорівнює 1.2.10-5 ° С-1, визначити коефіцієнт поверхневого розширення цього матеріалу і перевірити правильну альтернативу:
