การประยุกต์ใช้การขยายตัวเชิงเส้นในงานวิศวกรรม

เนื้อหา

• TL; DR (ยาวเกินไปไม่ได้อ่าน)
• การประยุกต์ใช้การขยายตัวทางฟิสิกส์
• การประยุกต์ใช้การขยายตัวทางความร้อนของของแข็งในชีวิตประจำวัน
• การขยายตัวทางความร้อนจากอุณหพลศาสตร์
• เทนเซอร์ในการขยายตัว
• การประยุกต์ใช้การขยายตัวและการหดตัว
• อุณหภูมิก่อนการขยายตัวล่วงหน้า
• ความแปรปรวนการขยายตัวทางความร้อนของวัสดุ
• การขยายตัวทางความร้อนตามสถานะของสสาร

ทางรถไฟและสะพานอาจต้องมีรอยต่อการขยายตัว ท่อความร้อนน้ำร้อนโลหะไม่ควรใช้ในความยาวเชิงเส้นยาว การสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กทรอนิกส์จำเป็นต้องตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเป็นนาทีเพื่อเปลี่ยนตำแหน่งเมื่อเทียบกับจุดโฟกัส เครื่องวัดอุณหภูมิแบบเหลวใช้ปรอทหรือแอลกอฮอล์เพื่อให้ไหลในทิศทางเดียวขณะที่ของเหลวขยายตัวเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ตัวอย่างเหล่านี้แต่ละตัวอย่างแสดงให้เห็นว่าวัสดุมีการขยายความยาวภายใต้ความร้อนอย่างไร

TL; DR (ยาวเกินไปไม่ได้อ่าน)

การขยายตัวเชิงเส้นของของแข็งภายใต้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิสามารถวัดได้โดยใช้Δℓ / ℓ = αΔTและมีการใช้งานในวิธีที่ของแข็งขยายตัวและหดตัวในชีวิตประจำวัน ความเครียดที่วัตถุได้รับนั้นมีความหมายในทางวิศวกรรมเมื่อทำการประกอบวัตถุเข้าด้วยกัน

การประยุกต์ใช้การขยายตัวทางฟิสิกส์

เมื่อวัสดุที่เป็นของแข็งขยายตัวตามการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ (การขยายตัวทางความร้อน) สามารถเพิ่มความยาวในกระบวนการที่เรียกว่าการขยายตัวแบบเชิงเส้น

สำหรับของแข็งของความยาวℓคุณสามารถวัดความแตกต่างของความยาวΔℓเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ toT เพื่อพิจารณาα, สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสำหรับของแข็งตามสมการ: Δℓ / ℓ = αΔT สำหรับตัวอย่างการใช้งานของการขยายตัวและการหดตัว

อย่างไรก็ตามสมการนี้ถือว่าการเปลี่ยนแปลงของความดันมีความสำคัญน้อยมากสำหรับการเปลี่ยนแปลงความยาวเศษส่วนเล็กน้อย อัตราส่วนของΔℓ / ℓนี้รู้จักกันในชื่อสายพันธุ์วัสดุซึ่งแสดงเป็น,_ร้อน. ความเครียดซึ่งเป็นวัสดุตอบสนองต่อความเครียดอาจทำให้เสียโฉม

คุณสามารถใช้สัมประสิทธิ์กล่องเครื่องมือทางวิศวกรรมของการขยายเชิงเส้นเพื่อกำหนดอัตราการขยายตัวของวัสดุตามสัดส่วนของปริมาณของวัสดุนั้น มันสามารถบอกคุณได้ว่าวัตถุมีการขยายตัวมากน้อยเพียงใดขึ้นอยู่กับวัสดุที่คุณมีรวมถึงอุณหภูมิที่คุณใช้สำหรับการประยุกต์ใช้การขยายตัวทางฟิสิกส์

การประยุกต์ใช้การขยายตัวทางความร้อนของของแข็งในชีวิตประจำวัน

หากคุณต้องการเปิดขวดที่แน่นหนาคุณสามารถเรียกใช้ภายใต้น้ำร้อนเพื่อขยายฝาขวดออกไปเล็กน้อยและทำให้เปิดได้ง่ายขึ้น ทั้งนี้เป็นเพราะเมื่อสารต่างๆเช่นของแข็งของเหลวหรือก๊าซได้รับความร้อนก็จะมีค่าเฉลี่ย พลังงานจลน์ของโมเลกุลเพิ่มขึ้น. พลังงานเฉลี่ยของอะตอมที่สั่นสะเทือนภายในวัสดุจะเพิ่มขึ้น สิ่งนี้จะเพิ่มการแยกระหว่างอะตอมและโมเลกุลที่ทำให้วัสดุขยายตัว

ในขณะที่สิ่งนี้สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสเช่นน้ำแข็งละลายกับน้ำการขยายตัวทางความร้อนโดยทั่วไปเป็นผลโดยตรงจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ คุณใช้สัมประสิทธิ์เชิงเส้นของการขยายตัวทางความร้อนเพื่ออธิบายสิ่งนี้

การขยายตัวทางความร้อนจากอุณหพลศาสตร์

วัสดุอาจขยายหรือหดตัวเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงทางเคมีเหล่านี้ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่จากกระบวนการทางเคมีและอุณหพลศาสตร์ขนาดเล็กเหล่านี้ในแบบเดียวกับที่สะพานและอาคารอาจขยายตัวภายใต้ความร้อนสูง ในทางวิศวกรรมคุณสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงความยาวของของแข็งเนื่องจากการขยายตัวทางความร้อน

วัสดุ Anisotropics, วัตถุที่แตกต่างกันในสารระหว่างทิศทางที่ต่างกัน, อาจมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นแตกต่างกันขึ้นอยู่กับทิศทาง ในกรณีเหล่านี้คุณอาจใช้เทนเซอร์เพื่ออธิบายการขยายตัวทางความร้อนเป็นเทนเซอร์ซึ่งเป็นเมทริกซ์ที่อธิบายค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนในแต่ละทิศทาง: x, y และ z

เทนเซอร์ในการขยายตัว

polycrystalline วัสดุที่ทำขึ้นแก้วที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนด้วยกล้องจุลทรรศน์ใกล้ศูนย์เป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับวัสดุทนไฟเช่นเตาเผาและเตาเผาขยะ เทนเซอร์สามารถอธิบายค่าสัมประสิทธิ์เหล่านี้โดยการบัญชีสำหรับทิศทางที่แตกต่างกันของการขยายตัวเชิงเส้นในวัสดุ anisotropic เหล่านี้

Cordierite เป็นวัสดุซิลิเกตที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเป็นบวกและอีกหนึ่งค่าลบหมายถึงเทนเซอร์อธิบายการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของศูนย์เป็นหลัก ที่ทำให้มันเป็นสารที่เหมาะสำหรับวัสดุทนไฟ

การประยุกต์ใช้การขยายตัวและการหดตัว

นักโบราณคดีชาวนอร์เวย์ตั้งทฤษฎีว่าไวกิ้งใช้การขยายตัวทางความร้อนของ cordierite เพื่อช่วยให้พวกเขานำทางทะเลหลายศตวรรษที่ผ่านมา ในไอซ์แลนด์ที่มีผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่โปร่งใสของ Cordierite พวกเขาใช้หินที่ทำจาก Cordierite ซึ่งสามารถทำให้แสงในทิศทางที่แน่นอนในทิศทางที่แน่นอนของผลึกเพื่อให้พวกเขานำทางในวันที่เมฆมากและมืดครึ้ม เนื่องจากผลึกจะขยายความยาวแม้จะมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำพวกเขาก็มีสีสดใส

วิศวกรต้องพิจารณาว่าวัตถุจะขยายและหดตัวอย่างไรเมื่อออกแบบโครงสร้างเช่นอาคารและสะพาน เมื่อทำการวัดระยะทางสำหรับการสำรวจที่ดินหรือออกแบบแม่พิมพ์และภาชนะบรรจุสำหรับวัสดุร้อนพวกเขาจะต้องคำนึงถึงปริมาณของโลกหรือแก้วที่อาจขยายตัวเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่เกิดขึ้น

อุณหภูมิ พึ่งพาแถบ bimetallic ของโลหะแผ่นบาง ๆ สองเส้นที่วางอยู่บนอีกแผ่นหนึ่งดังนั้นแผ่นหนึ่งจึงขยายตัวได้ดีกว่าอีกอันหนึ่งเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ นี่เป็นสาเหตุที่ทำให้แถบโค้งงอและเมื่อมันเกิดขึ้นมันจะปิดลูปของวงจรไฟฟ้า

สิ่งนี้ทำให้เครื่องปรับอากาศเริ่มทำงานและโดยการเปลี่ยนค่าอุณหภูมิอุณหภูมิระยะห่างระหว่างแถบเพื่อปิดการเปลี่ยนแปลงของวงจร เมื่ออุณหภูมิภายนอกถึงค่าที่ต้องการโลหะจะหดตัวเพื่อเปิดวงจรและหยุดเครื่องปรับอากาศ นี่เป็นหนึ่งในตัวอย่างการใช้งานของการขยายตัวและการหดตัว

อุณหภูมิก่อนการขยายตัวล่วงหน้า

เมื่อก่อนการให้ความร้อนชิ้นส่วนโลหะระหว่าง 150 ° C และ 300 ° C พวกมันจะขยายดังนั้นพวกเขาจึงสามารถใส่เข้าไปในอีกช่องหนึ่งซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการหดตัวแบบเหนี่ยวนำ วิธีการของเทคโนโลยี UltraFlex Power นั้นเกี่ยวข้องกับการหดตัวที่เหมาะสมของฉนวนเทฟลอนบนลวดโดยให้ความร้อนท่อสแตนเลสถึง 350 ° C โดยใช้ขดลวดเหนี่ยวนำ

การขยายตัวด้วยความร้อนสามารถใช้ในการวัดความอิ่มตัวของของแข็งในระหว่างก๊าซและของเหลวที่ดูดซับอยู่ตลอดเวลา คุณสามารถตั้งค่าการทดสอบเพื่อวัดความยาวของบล็อกแห้งก่อนและหลังปล่อยให้ดูดซับน้ำเมื่อเวลาผ่านไป การเปลี่ยนแปลงความยาวสามารถให้สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน สิ่งนี้ถือเป็นการใช้งานจริงในการพิจารณาว่าอาคารขยายตัวอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไปเมื่อสัมผัสกับอากาศ

ความแปรปรวนการขยายตัวทางความร้อนของวัสดุ

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงความร้อนเชิงเส้นแปรผันตามจุดผกผันของจุดหลอมเหลวของสารนั้น วัสดุที่มีจุดหลอมเหลวสูงจะมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงความร้อนเชิงเส้นลดลง ตัวเลขมีตั้งแต่ประมาณ 400 K สำหรับกำมะถันสูงถึงประมาณ 3,700 สำหรับทังสเตน

สัมประสิทธิ์ของการขยายตัวทางความร้อนยังแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิของวัสดุตัวเอง (โดยเฉพาะอย่างยิ่งไม่ว่าจะเป็นอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของแก้ว) โครงสร้างและรูปร่างของวัสดุสารเติมแต่งใด ๆ ที่เกี่ยวข้องในการทดลองและศักยภาพ สสาร

โพลิเมอร์อะมอร์ฟัสคนที่ไม่มีโครงสร้างผลึกมีแนวโน้มที่จะมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำกว่าคนกึ่งผลึก ในหมู่แก้วแก้วโซเดียมแคลเซียมซิลิกอนออกไซด์หรือแก้วโซดาไลม์ซิลิเกตมีค่าสัมประสิทธิ์ค่อนข้างต่ำเท่ากับ 9 ที่มีแก้วโบโรซิลิเกตใช้ในการทำวัตถุแก้วคือ 4.5

การขยายตัวทางความร้อนตามสถานะของสสาร

การขยายตัวทางความร้อนแตกต่างกันระหว่างของแข็งของเหลวและก๊าซ โดยทั่วไปแล้วของแข็งเก็บรูปร่างของพวกเขาเว้นแต่พวกเขาจะถูก จำกัด โดยภาชนะ พวกเขาขยายตัวเมื่อการเปลี่ยนแปลงพื้นที่ของพวกเขาด้วยความเคารพต่อพื้นที่เดิมของพวกเขาในกระบวนการที่เรียกว่าการขยายตัวของขนหัวลุกหรือการขยายตัวผิวเผินเช่นเดียวกับการเปลี่ยนแปลงปริมาณของพวกเขาด้วยความเคารพต่อปริมาณเดิมผ่าน มิติที่แตกต่างเหล่านี้ช่วยให้คุณวัดการขยายตัวของของแข็งในหลายรูปแบบ

การขยายตัวของของเหลวนั้นมีแนวโน้มที่จะอยู่ในรูปของภาชนะบรรจุดังนั้นคุณสามารถใช้การขยายปริมาตรเพื่ออธิบายสิ่งนี้ ค่าสัมประสิทธิ์เชิงเส้นของการขยายตัวทางความร้อนสำหรับของแข็งคือ αค่าสัมประสิทธิ์สำหรับของเหลวคือ β และการขยายตัวทางความร้อนของก๊าซเป็นกฎหมายก๊าซอุดมคติ PV = nRT สำหรับความดัน Pระดับเสียง Vจำนวนโมล nก๊าซคงที่ R และอุณหภูมิ T.