Termisk utvidgning

Vi förklarar vad som är termisk dilatation, de typer som finns, och vi ger flera exempel

Vattens termisk dilatation

Vad är termisk utvidgning?

De Termisk utvidgning o Termisk expansion är ökningen av kroppens dimensioner när de värmer upp. Det händer med nästan allt material, utom med vissa som expanderar när de fryser, till exempel vatten och ättiksyra, till exempel.

Förklaringen av fenomenet ligger i partiklarnas termiska omrörning. Enligt kinetisk teori är molekylerna som utgör ämnena inte i vila, utan i permanent rörelse.

I fasta ämnen svänger partiklarna runt en fast punkt, men genom att öka temperaturen växer svängningsamplituden, och som en följd av detta expanderar objektet.

Denna egenskap hos materialet som expanderar med temperaturen används i många applikationer, till exempel i bimetallisk vätska och remsor, dessa är vikta på ett visst sätt genom att öka temperaturen och på detta sätt kan kretsar öppnas eller stängas.

Ibland orsakar emellertid termisk utvidgning besvär, som i fallet med hartser som används för att behandla tandförfall. Dessa hartser expanderar med värme snabbare än tänderna, vilket orsakar obehag när varma drycker intas.

Om den termiska expansionen inte beaktas när man gör designen kan stycket eller objektet förlora funktionaliteten när temperaturen av någon anledning ökar.

Typer av termisk dilatation

Dessa järnvägsskenor är byggda och lämnar ett gap eller gap, så att termisk utvidgning inte orsakar interna spänningar som deformerar skenorna

De flesta av materialen expanderar vid uppvärmning, men några gör tvärtom, så i princip finns det två typer av värmeutvidgning:

• Den vanligaste, som inträffar när Materialökningar helt enkelt dess dimensioner med temperaturen och kallas utvidgning antingen Termisk expansion.
• Negativ värmeutvidgning, Om ämnet rycker upp när.

Det kan tjäna dig: strålningsvärmeöverföring (med exempel)

Enligt de dominerande dimensionerna i objektet kan termisk expansion vara linjär, ytlig eller volymetrisk. Om du till exempel har en tunn tråd eller stång förlängs objektet och utvidgningen är linjär, eftersom längden främst är modifierad.

Å andra sidan, när ett tunt ark värms upp, är det som ökar dess ytliga område, medan ett trepedimensionellt föremål höjer sin volym. För vart och ett av dessa fall finns det en enkel ekvation som uppfylls i ett bra temperaturintervall.

1. Linjär utvidgning

Förändringen i längden på en tunn stång, stång eller tråd betecknas som ΔL och är direkt proportionell mot temperaturförändringen ΔT och den ursprungliga längden l_antingen:

ΔL = α⋅L_antingenΔT

Var:

• ΔL = slutlig längd - initial längd = L_F - L_antingen
• ΔT = sluttemperatur - initial temperatur = T_F - T_antingen
• a är proportionalitetskonstanten, kallad linjär expansionskoefficient , positiv om längden ökar med temperaturen.

Α -värdena för olika ämnen, i temperatur omvända enheter, är nästan alltid vid 20 ºC, även om värdet förblir konstant i ett bra temperaturintervall.

Den föregående ekvationen kan skrivas om för att direkt beräkna den slutliga längden:

L_F = L_antingen + αl_antingenΔt = l_antingen(1 + αΔT)

2. Ytlig utvidgning

Analogt med föregående ekvation, för en lamina med initiala ytor_antingen , Det kan demonstreras att den nya ytan är_F Det ges av:

S_F = S_antingen + 2a_antingen ΔT

3. Volymetrisk dilatation

Slutligen, för ett initialt volymobjekt v_antingen , Den nya volymen v_F är:

V_F = V_antingen + 3a V_antingen ΔT

Exempel på termisk dilatation

Varm luft i en ballong

Luften inuti världen expanderar när den värms upp. Det är bekvämt att inte föra det för nära lågan

Vid värme av luften inuti en ballong blåser den upp, eftersom gasen inuti expanderar på grund av temperaturökningen. Det kontrolleras lätt genom att täcka en glasflaska med en avluftad ballong, som är nedsänkt i varmt vatten. Det ses snart att ballongen börjar blåsa upp.

Kan tjäna dig: Materialmekanik: historia, studieområde, applikationer

Expansionsfogar på trottoarer och vägar

Tänder -formade expansionskort på en betongbro

Vid konstruktionen av trottoarer och trafikvägar lämnas en marginal för expansionsfogarna, bestående av en separation mellan plattorna så att de, när temperaturen ökar, inte spricker.

På motorvägar och betongbroar sitter utrymmen kvar med flexibelt material eller med expansionsfogar i form av tänder som stiger med varandra och lämnar utrymmen. På detta sätt finns det en marginal för betongen att expandera och sammandras med temperaturförändringarna.

Glasfrakturer

Glassprickor före plötsliga temperaturförändringar. Om ett kallt glasglas är fyllt med mycket varmt vatten, värms materialet upp, vilket orsakar expansion på vissa platser, vilket orsakar interna spänningar som leder till frakturer.

I motsats till vad som tänker, spricker de tjocka glas lättare än det tunna glaset. Det beror på att ju tunnare materialet är, desto snabbare är värmen fördelat, så det finns ingen tid för interna spänningar att dyka upp.

Vattenfrysning

Vatten är ett exempel på negativ värmeutvidgning, det vill säga det expanderar vid kylning, ett fenomen som inträffar mellan 0 och 4 ºC. Som känt, när den fryser en helt full flaska vatten, kommer den att spricka.

Men denna vattenkvalitet gör det möjligt för bakgrunden till floder och sjö.

Kan tjäna dig: latent värme

Elektrisk lögn

De elektriska läggningarna placeras inte i en rak linje mellan två stolpar, men lämnar lite marginal för att hänga lite, bilda en kurva. Det beror på att när vädret blir väldigt kallt tenderar ledningarna att dra sig samman.

Å andra sidan, när vädret är väldigt varmt, är det vanligt att se att de elektriska läggningarna slappnar av och hänger mycket.

Flygnitar

I flygplanen används de aluminiumtillverkade för att gå med i delarna och görs alltid större än motsvarande hål. Sedan, innan du sätter dem på sin plats, måste du ta bort dem och kyla dem med torr is.

Det finns många skäl till varför nitarna föredras en gång från svetsning för flygplan. Till exempel är den typ av aluminium som används vid tillverkning av flygplan svårt att svetsa och även om det uppnås slutar svetsningen med att försvaga materialet. Å andra sidan är det lättare att inspektera och reparera nitarna än svetsarna.

Träning löst

En tunn stång gjord av bronsmätningar 0.5 m lång till 20.0 ºC. Beräkna stångens längd när den värms upp till 50.0 ºC, att veta att den linjära dilationskoefficienten för bronsen vid 20 ºC är: 19 × 10^-6 ºC^-1 .

Lösning

Eftersom stången är tunn gäller ekvationen för linjär expansion:

L_F = L_antingen (1 + αΔT)

Det räcker för att ersätta värdena som visas i uttalandet:

ΔT = (50,0 −20,0) ºC = 30,0 ºC

L_F = 0.5 (1 + 19 × 10^-6 × 30) m = 0.500285 m