Aplikácia lineárneho rozšírenia v strojárstve

Obsah

• TL; DR (príliš dlho; neprečítané)
• Aplikácia expanzie vo fyzike
• Aplikácie tepelnej expanzie pevných látok v každodennom živote
• Tepelná expanzia z termodynamiky
• Expanzia tenzorov
• Uplatňovanie rozšírenia a kontrakcie
• Teploty expanzie predhrievania
• Variancia tepelnej expanzie materiálov
• Tepelná expanzia podľa stavu hmoty

Železnice a mosty môžu vyžadovať dilatačné škáry. Kovové teplovodné vykurovacie rúrky by sa nemali používať v dlhých lineárnych dĺžkach. Skenovacie elektronické mikroskopy musia detegovať malé zmeny teploty, aby mohli zmeniť svoju polohu vzhľadom na bod zaostrenia. Kvapalné teplomery používajú ortuť alebo alkohol, takže prúdia iba v jednom smere, pretože tekutina expanduje v dôsledku zmien teploty. Každý z týchto príkladov demonštruje, ako sa materiály pod vplyvom tepla rozširujú.

TL; DR (príliš dlho; neprečítané)

Lineárnu expanziu tuhej látky pri zmene teploty možno merať pomocou Δℓ / ℓ = αΔT a má aplikácie v spôsoboch, ako sa tuhé látky rozširujú a sťahujú v každodennom živote. Zaťaženie, ktoré predmet podlieha, má v strojárstve implikácie, keď sa medzi sebou montujú predmety.

Aplikácia expanzie vo fyzike

Keď sa tuhý materiál rozširuje v reakcii na zvýšenie teploty (tepelná rozťažnosť), môže sa zväčšiť v procese známom ako lineárna expanzia.

Pre pevnú látku dĺžky ℓ môžete zmerať rozdiel v dĺžke v dôsledku zmeny teploty ΔT, aby ste určili α, koeficient tepelnej rozťažnosti tuhej látky podľa rovnice: Δℓ / ℓ = aAT napríklad použitie expanzie a kontrakcie.

Táto rovnica však predpokladá, že zmena tlaku je zanedbateľná pre malú zlomkovú zmenu dĺžky. Tento pomer Δℓ / ℓ je známy aj ako kmeň materiálu, ktorý sa označuje ako ϵ_termálne, Kmeň, materiál reagujúci na stres, môže spôsobiť jeho deformáciu.

Na určenie miery expanzie materiálu úmerne k množstvu tohto materiálu môžete použiť koeficienty lineárneho rozšírenia Engineering Toolboxs. To vám môže povedať, koľko sa materiál rozširuje na základe toho, koľko toho materiálu máte, ako aj toho, koľko zmeny teploty požadujete pre aplikáciu rozšírenia fyziky.

Aplikácie tepelnej expanzie pevných látok v každodennom živote

Ak chcete otvoriť pevnú nádobu, môžete ju spustiť pod horúcou vodou, aby ste mierne rozšírili veko a uľahčili otvorenie. Je to tak preto, že keď sa látky, ako sú pevné látky, kvapaliny alebo plyny, zahrievajú, ich priemer stúpa molekulárna kinetická energia, Priemerná energia atómov vibrujúcich v materiáli sa zvyšuje. To zvyšuje separáciu medzi atómami a molekulami, vďaka ktorým sa materiál rozširuje.

Aj keď to môže spôsobiť fázové zmeny, napríklad topenie ľadu na vodu, tepelná rozťažnosť je vo všeobecnosti priamejším dôsledkom zvýšenia teploty. Na opis sa použije lineárny koeficient tepelnej rozťažnosti.

Tepelná expanzia z termodynamiky

Materiály sa môžu rozširovať alebo zmenšovať v reakcii na tieto chemické zmeny, ktoré spôsobujú veľkú zmenu veľkosti z týchto malých chemických a termodynamických procesov rovnakým spôsobom, ako sa mosty a budovy môžu rozširovať pod extrémnym teplom. V inžinierstve môžete zmerať zmenu dĺžky tuhej látky v dôsledku tepelnej rozťažnosti.

Anizotropný materiáls, ktoré sa líšia vo svojej podstate medzi rôznymi smermi, môžu mať rôzne koeficienty lineárnej expanzie v závislosti od smeru. V týchto prípadoch môžete použiť tenzory na opísanie tepelnej rozťažnosti ako tenzora, maticu, ktorá popisuje koeficient tepelnej rozťažnosti v každom smere: x, y a z.

Expanzia tenzorov

polykryštalické materiály, ktoré tvoria sklo s takmer nulovými koeficientmi mikroskopickej tepelnej rozťažnosti, sú veľmi užitočné pre žiaruvzdorné materiály, ako sú pece a spaľovne. Tenzory môžu tieto koeficienty opísať zohľadnením rôznych smerov lineárnej expanzie v týchto anizotropných materiáloch.

Cordierite, silikátový materiál, ktorý má jeden pozitívny koeficient tepelnej rozťažnosti a jeden negatívny znamená, že jeho tenzor opisuje zmenu objemu v podstate nula. Vďaka tomu je ideálnou látkou pre žiaruvzdorné materiály.

Uplatňovanie rozšírenia a kontrakcie

Nórsky archeológ teoretizoval, že Vikings použil tepelnú expanziu kordierit pomôcť im orientovať sa v moriach pred storočiami. Na Islande s veľkými priehľadnými monokryštálmi kordieritu používali slnečné kamene vyrobené z kordieritu, ktoré mohli polarizovať svetlo v určitom smere iba v určitých smeroch kryštálu, aby ich mohli navigovať v zamračených a oblačných dňoch. Pretože sa kryštály rozširovali na dĺžku aj pri nízkom koeficiente tepelnej rozťažnosti, vykazovali jasnú farbu.

Inžinieri musia pri navrhovaní štruktúr, ako sú budovy a mosty, zvážiť, ako sa objekty rozširujú a sťahujú. Pri meraní vzdialeností pri zemných prieskumoch alebo pri navrhovaní foriem a kontajnerov na horúce materiály sa musí uviesť, do akej miery sa môže zemina alebo sklo zväčšiť v závislosti od zmien teploty, ktoré zažívajú.

termostaty spoliehajú sa na bimetalické prúžky dvoch rôznych tenkých prúžkov kovov umiestnených jeden na druhom, takže jeden sa rozširuje omnoho výraznejšie ako druhý v dôsledku zmien teploty. To spôsobí, že sa prúžok ohne, a keď sa tak stane, uzavrie slučku elektrického obvodu.

To spôsobí spustenie klimatizácie a zmenou hodnôt termostatov sa zmení vzdialenosť medzi prúžkom na uzavretie okruhu. Keď vonkajšia teplota dosiahne požadovanú hodnotu, kov sa stiahne, aby otvoril okruh a zastavil klimatizáciu. Toto je jedno z mnohých príkladov použitia expanzie a kontrakcie.

Teploty expanzie predhrievania

Pri predhrievaní kovových komponentov medzi 150 ° C a 300 ° C expandujú, takže môžu byť vložené do iného oddelenia, čo je proces známy ako indukčné zmršťovacie kovanie. Metódy UltraFlex Power Technologies zahŕňajú indukčné zmršťovacie teflónové izolácie na drôte zahrievaním rúrky z nehrdzavejúcej ocele na 350 ° C pomocou indukčnej cievky.

Tepelná rozťažnosť sa môže použiť na meranie nasýtenia pevných látok medzi plynmi a tekutinami, ktoré sa v priebehu času absorbujú. Môžete nastaviť experiment na meranie dĺžky vysušeného bloku pred a po tom, ako sa nechá v priebehu času absorbovať vodu. Zmena dĺžky môže poskytnúť tepelný koeficient rozťažnosti. To má praktické využitie pri určovaní toho, ako sa budovy v čase vystavenia vzduchu rozširujú.

Variancia tepelnej expanzie materiálov

Koeficienty lineárnej tepelnej rozťažnosti sa menia ako inverzná teplota topenia tejto látky. Materiály s vyššími teplotami topenia majú nižšie koeficienty lineárnej tepelnej rozťažnosti. Čísla sa pohybujú od asi 400 K pre síru do asi 3 700 pre volfrám.

Koeficient tepelnej rozťažnosti sa tiež líši v závislosti od teploty materiálu samotného (zvlášť od toho, či bola prekročená teplota skleného prechodu), štruktúry a tvaru materiálu, akýchkoľvek aditív zapojených do experimentu a potenciálneho zosieťovania medzi polymérmi materiálu. substancie.

Amorfné polyméry, tie bez kryštalických štruktúr, majú tendenciu mať nižšie koeficienty tepelnej rozťažnosti ako polokryštalické. Spomedzi skla má oxid kremičitý sodno-vápenatý alebo sodno-vápenato-kremičité sklo pomerne nízky koeficient 9, kde má borokremičité sklo, ktoré sa používa na výrobu sklenených predmetov, 4,5.

Tepelná expanzia podľa stavu hmoty

Tepelná rozťažnosť sa mení medzi pevnými látkami, kvapalinami a plynmi. Pevné látky si spravidla zachovávajú svoj tvar, pokiaľ nie sú obmedzené kontajnerom. Rozširujú sa, keď sa ich plocha mení s ohľadom na svoju pôvodnú oblasť v procese nazývanom plošné rozšírenie alebo povrchové rozšírenie, ako aj ich objem sa mení s ohľadom na pôvodný objem prostredníctvom objemovej expanzie. Tieto rôzne rozmery vám umožňujú merať expanziu pevných látok v mnohých formách.

Expanzia kvapaliny má oveľa väčšiu podobu ako nádoba, takže na jej vysvetlenie môžete použiť volumetrickú expanziu. Lineárny koeficient tepelnej rozťažnosti pre tuhé látky je α, koeficient pre kvapaliny je β a tepelná expanzia plynov je ideálnym zákonom o plynoch PV = nRT pre tlak P, objem V, počet mólov n, plynová konštanta R a teplota T.