Η εφαρμογή γραμμικής επέκτασης στη μηχανική

Περιεχόμενο

• TL · DR (Πολύ μακρύ;
• Εφαρμογή της επέκτασης στη φυσική
• Εφαρμογές θερμικής επέκτασης στερεών στην καθημερινή ζωή
• Θερμική επέκταση από τη θερμοδυναμική
• Tensors στην επέκταση
• Εφαρμογή επέκτασης και συστολής
• Θερμοκρασίες προθέρμανσης της επέκτασης
• Διακύμανση θερμικής επέκτασης μεταξύ υλικών
• Θερμική επέκταση ανά κατάσταση ύλης

Οι σιδηροδρομικές γραμμές και οι γέφυρες μπορεί να χρειαστούν αρμούς διαστολής. Οι μεταλλικοί σωλήνες θέρμανσης ζεστού νερού δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται σε μακρά, γραμμικά μήκη. Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια σάρωσης πρέπει να ανιχνεύουν μικρές αλλαγές θερμοκρασίας για να αλλάξουν τη θέση τους σε σχέση με το σημείο εστίασής τους. Τα υγρά θερμόμετρα χρησιμοποιούν υδράργυρο ή αλκοόλ, έτσι ρέουν σε μία μόνο κατεύθυνση καθώς το υγρό επεκτείνεται λόγω μεταβολών της θερμοκρασίας. Καθένα από αυτά τα παραδείγματα καταδεικνύει πώς τα υλικά αναπτύσσονται σε μήκος κάτω από τη θερμότητα.

TL · DR (Πολύ μακρύ;

Η γραμμική διαστολή ενός στερεού κάτω από μια μεταβολή της θερμοκρασίας μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας Δ1 / 1 = αΔΤ και έχει εφαρμογές στους τρόπους με τους οποίους τα στερεά επεκτείνονται και συστέλλονται στην καθημερινή ζωή. Το στέλεχος που υποκρύπτεται το αντικείμενο έχει επιπτώσεις στη μηχανική όταν τοποθετούν αντικείμενα μεταξύ τους.

Εφαρμογή της επέκτασης στη φυσική

Όταν το στερεό υλικό επεκτείνεται σε απόκριση της αύξησης της θερμοκρασίας (θερμική διαστολή), μπορεί να αυξηθεί σε μήκος σε μια διαδικασία γνωστή ως γραμμική επέκταση.

Για ένα στερεό μήκους l, μπορείτε να μετρήσετε τη διαφορά μήκους Δl λόγω μεταβολής της θερμοκρασίας ΔT για να προσδιορίσετε α, ​​τον συντελεστή θερμικής διαστολής για το στερεό σύμφωνα με την εξίσωση: Δl / l = αΔT για παράδειγμα εφαρμογή επέκτασης και συστολής.

Αυτή η εξίσωση, ωστόσο, υποθέτει ότι η μεταβολή της πίεσης είναι αμελητέα για μια μικρή κλασματική μεταβολή του μήκους. Αυτή η αναλογία Δ / Ι είναι επίσης γνωστή ως στέλεχος υλικού, που δηλώνεται ως ε_{θερμικός}. Το στέλεχος, μια αντίδραση υλικών στο στρες, μπορεί να προκαλέσει παραμόρφωση.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τους συντελεστές γραμμικής επέκτασης για να καθορίσετε την ταχύτητα επέκτασης ενός υλικού ανάλογα με την ποσότητα αυτού του υλικού. Μπορεί να σας πει πόσο ένα υλικό επεκτείνεται με βάση πόσο από αυτό το υλικό που έχετε, καθώς και πόσο μια αλλαγή της θερμοκρασίας που εφαρμόζετε για μια εφαρμογή της επέκτασης στη φυσική.

Εφαρμογές θερμικής επέκτασης στερεών στην καθημερινή ζωή

Εάν θέλετε να ανοίξετε ένα σφιχτό βάζο, μπορείτε να το εκτελέσετε με ζεστό νερό για να επεκτείνετε ελαφρά το καπάκι και να το διευκολύνετε να το ανοίξετε. Αυτό συμβαίνει επειδή, όταν οι ουσίες, όπως τα στερεά, τα υγρά ή τα αέρια, θερμαίνονται, ο μέσος όρος τους αυξάνεται η κινητική κινητική ενέργεια. Η μέση ενέργεια των ατόμων που δονείται μέσα στο υλικό αυξάνεται. Αυτό αυξάνει τον διαχωρισμό μεταξύ ατόμων και μορίων που κάνει το υλικό να διογκώνεται.

Ενώ αυτό μπορεί να προκαλέσει μεταβολές φάσεων όπως η τήξη πάγου στο νερό, η θερμική διαστολή γενικά είναι πιο άμεσο αποτέλεσμα της αύξησης της θερμοκρασίας. Χρησιμοποιείτε τον γραμμικό συντελεστή θερμικής διαστολής για να το περιγράψετε.

Θερμική επέκταση από τη θερμοδυναμική

Τα υλικά μπορεί να επεκταθούν ή να συσσωρευτούν ως ανταπόκριση σε αυτές τις χημικές μεταβολές, επιφέροντας μια μεταβολή μεγέθους μεγάλης κλίμακας από αυτές τις μικρής κλίμακας χημικές και θερμοδυναμικές διεργασίες κατά τον ίδιο τρόπο με τον τρόπο που οι γέφυρες και τα κτίρια μπορούν να επεκταθούν κάτω από υπερβολική θερμότητα. Στη μηχανική, μπορείτε να μετρήσετε την αλλαγή στο μήκος μιας στερεής ουσίας λόγω της θερμικής διαστολής.

Ανισοτροπικό υλικόs, τα οποία ποικίλλουν στην ουσία τους μεταξύ διαφορετικών κατευθύνσεων, μπορεί να έχουν διαφορετικούς συντελεστές γραμμικής διαστολής ανάλογα με την κατεύθυνση. Σε αυτές τις περιπτώσεις, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τανιστές για να περιγράψετε τη θερμική επέκταση σαν ένα tensor, ένα πλέγμα που περιγράφει τον συντελεστή θερμικής διαστολής σε κάθε κατεύθυνση: x, y και z.

Tensors στην επέκταση

Πολυκρυσταλλική τα υλικά που συνθέτουν γυαλί με σχεδόν μηδενικούς συντελεστές μικροσκοπικής θερμικής διαστολής είναι πολύ χρήσιμοι για πυρίμαχα υλικά όπως φούρνοι και αποτεφρωτήρες. Οι τανυστήρες μπορούν να περιγράψουν αυτούς τους συντελεστές καταγράφοντας διαφορετικές κατευθύνσεις γραμμικής διαστολής σε αυτά τα ανισότροπα υλικά.

Ο Cordierite, ένα πυριτικό υλικό που έχει έναν θετικό συντελεστή θερμικής διαστολής και ένα αρνητικό, σημαίνει ότι ο τανυστής του περιγράφει μία μεταβολή όγκου ουσιαστικά μηδενική. Αυτό το καθιστά ιδανική ουσία για τα πυρίμαχα.

Εφαρμογή επέκτασης και συστολής

Ένας νορβηγός αρχαιολόγος θεώρησε ότι οι Βίκινγκς χρησιμοποίησαν τη θερμική επέκταση του cordierite για να τους βοηθήσει στην πλοήγηση στις θάλασσες πριν από αιώνες. Στην Ισλανδία, με μεγάλους, διαφανείς μονείς κρυστάλλους κορδιερίτης, χρησιμοποίησαν ηλιοστάσια από κορδιερίτη που θα μπορούσαν να πολώσουν το φως σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση μόνο σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις του κρυστάλλου για να τους αφήσουν να περιηγηθούν στις συννεφιασμένες, συννεφιασμένες μέρες. Καθώς οι κρύσταλλοι θα επεκταθούν σε μήκος ακόμη και με χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, έδειξαν ένα λαμπερό χρώμα.

Οι μηχανικοί πρέπει να εξετάσουν τον τρόπο με τον οποίο τα αντικείμενα επεκτείνονται και συστέλλονται κατά το σχεδιασμό δομών όπως κτίρια και γέφυρες. Κατά τη μέτρηση των αποστάσεων για τις έρευνες γης ή το σχεδιασμό καλουπιών και δοχείων για θερμά υλικά, πρέπει να λαμβάνουν υπόψη πόσο η γη ή ένα γυαλί μπορεί να επεκταθεί σε ανταπόκριση στις μεταβολές της θερμοκρασίας που βιώνουν.

Θερμοστάτες βασίζονται σε διμεταλλικές λωρίδες δύο διαφορετικών λεπτών ταινιών από μέταλλα τοποθετημένες το ένα πάνω στο άλλο, έτσι ώστε να επεκταθεί πολύ πιο σημαντικά από το άλλο λόγω των αλλαγών στη θερμοκρασία. Αυτό προκαλεί κάμψη της λωρίδας και, όταν συμβαίνει, κλείνει το βρόχο ενός ηλεκτρικού κυκλώματος.

Αυτό προκαλεί την εκκίνηση του κλιματιστικού και μεταβάλλοντας τις τιμές των θερμοστατών, η απόσταση μεταξύ της ταινίας για να κλείσει το κύκλωμα αλλάζει. Όταν η εξωτερική θερμοκρασία φτάσει στην επιθυμητή τιμή, το μέταλλο συστέλλεται για να ανοίξει το κύκλωμα και να σταματήσει το κλιματιστικό. Αυτό είναι ένα από τα πολλά παραδείγματα χρήσεων επέκτασης και συστολής.

Θερμοκρασίες προθέρμανσης της επέκτασης

Όταν προθερμαίνονται μεταλλικά εξαρτήματα μεταξύ 150 ° C και 300 ° C, αυτά επεκτείνονται, έτσι ώστε να μπορούν να εισαχθούν σε ένα άλλο διαμέρισμα, μια διαδικασία γνωστή ως επαγωγή συρρίκνωσης. Οι μέθοδοι της Τεχνολογίας Ισχύος UltraFlex έχουν συμπεριλάβει τη θερμοσυγκόλληση με θερμοσυγκόλληση με θερμοσυγκόλληση σε ένα σύρμα μέσω θέρμανσης ενός σωλήνα από ανοξείδωτο χάλυβα στους 350 ° C χρησιμοποιώντας ένα επαγωγικό πηνίο.

Η θερμική διαστολή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση του κορεσμού των στερεών μεταξύ των αερίων και των υγρών που απορροφά με την πάροδο του χρόνου. Μπορείτε να ρυθμίσετε ένα πείραμα για να μετρήσετε το μήκος ενός αποξηραμένου μπλοκ πριν και μετά το αφήστε να απορροφήσει το νερό με την πάροδο του χρόνου. Η μεταβολή του μήκους μπορεί να δώσει τον θερμικό συντελεστή διαστολής. Αυτό ισχύει πρακτικά για τον προσδιορισμό του τρόπου με τον οποίο τα κτίρια αναπτύσσονται με την πάροδο του χρόνου όταν εκτίθενται στον αέρα.

Διακύμανση θερμικής επέκτασης μεταξύ υλικών

Οι συντελεστές γραμμικής θερμικής διαστολής ποικίλλουν ως αντίστροφο του σημείου τήξης αυτής της ουσίας. Τα υλικά με υψηλότερα σημεία τήξης έχουν χαμηλότερους συντελεστές γραμμικής θερμικής διαστολής. Οι αριθμοί κυμαίνονται από περίπου 400 K για θείο μέχρι περίπου 3.700 για βολφράμιο.

Ο συντελεστής θερμικής διαστολής ποικίλει επίσης από τη θερμοκρασία του ίδιου του υλικού (ιδιαίτερα αν έχει διασταυρωθεί η θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου), τη δομή και το σχήμα του υλικού, τυχόν πρόσθετα που εμπλέκονται στο πείραμα και πιθανή σταυρωτή σύνδεση μεταξύ των πολυμερών του ουσία.

Άμορφα πολυμερή, τα οποία δεν έχουν κρυσταλλικές δομές, τείνουν να έχουν χαμηλότερους συντελεστές θερμικής διαστολής από τους ημικρυσταλλικούς. Μεταξύ του γυαλιού, του γυαλιού του νατρίου ασβεστίου του πυριτίου ή του γυαλιού πυριτίου σόδας, έχει ένα σχετικά χαμηλό συντελεστή 9, όπου έχει βοριοπυριτικό γυαλί, που χρησιμοποιείται για την κατασκευή γυάλινων αντικειμένων, είναι 4,5.

Θερμική επέκταση ανά κατάσταση ύλης

Η θερμική διαστολή κυμαίνεται μεταξύ στερεών, υγρών και αερίων. Τα στερεά διατηρούν γενικά το σχήμα τους εκτός αν περιορίζονται από ένα δοχείο. Διεκπεραιώνονται καθώς η περιοχή τους αλλάζει σε σχέση με την αρχική τους περιοχή σε μια διαδικασία που ονομάζεται επέκταση του εδάφους ή επιφανειακή επέκταση, καθώς και ο όγκος τους αλλάζει σε σχέση με τον αρχικό όγκο μέσω της ογκομετρικής επέκτασης. Αυτές οι διαφορετικές διαστάσεις σας επιτρέπουν να μετρήσετε τη διαστολή στερεών σε πολλές μορφές.

Η υγρή επέκταση είναι πολύ πιο πιθανό να λάβει τη μορφή του δοχείου, έτσι μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την ογκομετρική επέκταση για να το εξηγήσετε αυτό. Ο γραμμικός συντελεστής θερμικής διαστολής για τα στερεά είναι α, ο συντελεστής για τα υγρά είναι β και η θερμική επέκταση των αερίων είναι ο ιδανικός νόμος για το αέριο PV = nRT για πίεση Π, Ενταση ΗΧΟΥ V, αριθμός κρεατοελιτών n, σταθερό αέριο R και τη θερμοκρασία Τ.