İçerik
- TL; DR (Çok Uzun; Okumadı)
- Genişlemenin Fizikte Uygulanması
- Katılarda Isıl Genleşmenin Günlük Yaşamdaki Uygulamaları
- Termodinamikten Isıl Genleşme
- Genişlemede Tensörler
- Genleşme ve Daralma Uygulaması
- Genleşmenin Ön Isıtma Sıcaklıkları
- Malzemeler Arasında Isıl Genleşme Değişimi
- Maddenin Haline Göre Termal Genleşme
Demiryolları ve köprüler genleşme derzlerine ihtiyaç duyabilir. Metal sıcak su ısıtma boruları uzun, doğrusal uzunluklarda kullanılmamalıdır. Elektronik mikroskopların taranması, odak noktalarına göre konumlarını değiştirmek için sıcaklıktaki küçük değişiklikleri saptamak zorundadır. Sıvı termometreler cıva veya alkol kullanır, bu nedenle sıcaklık değişimlerinden dolayı sıvı genleştikçe yalnızca bir yönde akarlar. Bu örneklerin her biri, malzemelerin ısı altında uzunluk olarak nasıl genişlediklerini göstermektedir.
TL; DR (Çok Uzun; Okumadı)
Sıcaklığın değişmesi altında bir katının doğrusal genleşmesi Δℓ / ℓ = αΔT kullanılarak ölçülebilir ve katıların günlük yaşamda genleşme ve büzülme şekillerinde uygulamalara sahiptir. Nesnenin maruz kaldığı gerginlik, birbirine nesneler yerleştirilirken mühendislik üzerinde etkileri vardır.
Genişlemenin Fizikte Uygulanması
Katı madde sıcaklıktaki bir artışa tepki olarak genleştiğinde (termal genleşme), lineer genleşme olarak bilinen bir işlemde uzunluk uzayabilir.
Bir uzunluk a katı için, denklemine göre katı için ısıl genleşme katsayısı α'yı belirlemek üzere ΔT sıcaklığındaki bir değişiklik nedeniyle uzunluk Δℓ arasındaki farkı ölçebilirsiniz: Δℓ / ℓ = αΔT Örnek bir genişleme ve daralma uygulaması.
Bununla birlikte, bu denklem, basınçtaki değişimin, uzunluktaki küçük bir kesirli değişiklik için önemsiz olduğunu varsaymaktadır. Bu Δℓ / ℓ oranı, ϵ olarak belirtilen, malzeme gerilimi olarak da bilinir.termal. Strese cevap veren bir materyal olan strain deforme olmasına neden olabilir.
Bir malzemenin genleşme hızını o malzemenin miktarına oranla belirlemek için Mühendislik Araç Kutuları Doğrusal Genleşme Katsayılarını kullanabilirsiniz. Bir malzemenin ne kadarına sahip olduğunuza bağlı olarak ne kadar genişlediğinin yanı sıra, fizikteki bir genleşme uygulaması için sıcaklıkta ne kadar bir değişiklik yaptığınızı da söyleyebilir.
Katılarda Isıl Genleşmenin Günlük Yaşamdaki Uygulamaları
Sıkı bir kavanoz açmak istiyorsanız, kapağı hafifçe genişletmek ve açılmasını kolaylaştırmak için sıcak su altında çalıştırabilirsiniz. Bunun nedeni, katılar, sıvılar veya gazlar gibi maddeler ısıtıldığında ortalamalarıdır. moleküler kinetik enerji yükselir. Malzeme içinde titreşen atomların ortalama enerjisi artar. Bu, malzemenin genişlemesini sağlayan atomlar ve moleküller arasındaki mesafeyi arttırır.
Bu, sudaki buzun erimesi gibi faz değişikliklerine neden olsa da, termal genleşme genellikle sıcaklıktaki artışın daha doğrudan bir sonucudur. Bunu tarif etmek için doğrusal termal genleşme katsayısını kullanırsınız.
Termodinamikten Isıl Genleşme
Materyaller, bu küçük ölçekli kimyasal ve termodinamik işlemlerden büyük ölçüde bir büyüklük değişikliği getiren bu kimyasal değişikliklere cevaben genişleyebilir veya daraltılabilir, aynı şekilde köprüler ve binalar aşırı ısı altında genişleyebilir. Mühendislikte, termal genleşme nedeniyle katı bir maddenin uzunluğundaki değişimi ölçebilirsiniz.
Anizotropik malzemeMaddelerinde farklı yönler arasında değişen olanlar, yönlere bağlı olarak farklı doğrusal genleşme katsayılarına sahip olabilir. Bu durumlarda, termal genleşmeyi bir tensör olarak tanımlamak için tensörleri, her yöndeki termal genleşme katsayısını tanımlayan bir matris olarak kullanabilirsiniz: x, y ve z.
Genişlemede Tensörler
Çok kristalli sıfıra yakın mikroskobik termal genleşme katsayısına sahip camı oluşturan malzemeler, fırınlar ve yakma tesisleri gibi refrakterler için çok kullanışlıdır. Tensörler bu katsayıları, bu anizotropik malzemelerde farklı lineer genleşme yönlerine göre tanımlayabilirler.
Bir pozitif termal genleşme katsayısına ve bir negatif birine sahip olan bir silikat materyali olan kordierit, tensörünün esasen sıfır bir hacim değişimini tarif ettiği anlamına gelir. Bu onu refrakterler için ideal bir madde yapar.
Genleşme ve Daralma Uygulaması
Norveçli bir arkeolog, Vikings'in cordierite yüzyıllar önce denizleri yönlendirmelerine yardımcı olmak için. İzlanda'da, büyük, şeffaf tek kordiyerit kristalleri ile, bulutlu, bulutlu günlerde seyretmelerine izin vermek için ışığı yalnızca belirli bir yönde kutuplandırabilen kordiitten yapılmış güneştaşları kullandılar. Kristallerin, düşük bir termal genleşme katsayısı ile bile genişleyeceği için, parlak bir renk gösterdiler.
Mühendisler, binalar ve köprüler gibi yapılar tasarlanırken nesnelerin nasıl genişlediğini ve büzüldüğünü göz önünde bulundurmalıdır. Arazi araştırmaları için mesafeleri ölçerken veya sıcak malzemeler için kalıplar ve kaplar tasarlarken, yaşadıkları sıcaklıktaki değişikliklere cevaben dünyanın veya bir camın ne kadar genişleyebileceğini hesaba katmaları gerekir.
Termostatlar biri diğerine yerleştirilmiş iki farklı ince metal şeridinin bimetalik şeritlerine dayanır, bu nedenle biri sıcaklıktaki değişiklikler nedeniyle biri diğerinden çok daha fazla genişler. Bu, şeridin bükülmesine neden olur ve olduğu zaman, bir elektrik devresinin halkasını kapatır.
Bu, klimanın çalışmasına neden olur ve termostatların değerlerini değiştirerek, devre arasındaki kapanma şeridi arasındaki mesafe değişir. Dış sıcaklık istenen değere ulaştığında, metal devreyi açmayı ve klimayı durdurmayı taahhüt eder. Bu, genişleme ve daralmanın birçok örnek kullanımından biridir.
Genleşmenin Ön Isıtma Sıcaklıkları
Metal bileşenleri 150 ° C ile 300 ° C arasında ön ısıtırken genleşirler, böylece indüksiyon büzülme fitingi olarak bilinen bir işlem olan başka bir bölmeye yerleştirilebilirler. UltraFlex Power Technologies'in yöntemleri, bir indüksiyon bobini kullanarak paslanmaz çelik bir boruyu 350 ° C'ye ısıtmak suretiyle Teflon yalıtımını bir tel üzerine bağlayan indüksiyon büzülmesini içermektedir.
Termal genleşme, zamanla emdiği gazlar ve sıvılar arasında katıların doygunluğunu ölçmek için kullanılabilir. Kurutulmuş bir bloğun uzunluğunu ölçmek için zaman içinde suyu emmesine izin vermeden önce ve sonra bir deney ayarlayabilirsiniz. Uzunluktaki değişim termal genleşme katsayısını verebilir. Bu, binaların havaya maruz kaldıklarında zaman içinde nasıl genişleyeceğini belirlemede pratik bir kullanım sağlar.
Malzemeler Arasında Isıl Genleşme Değişimi
Doğrusal termal genleşme katsayıları, o maddenin erime noktasının tersi olarak değişir. Erime noktası daha yüksek olan malzemeler daha düşük doğrusal termal genleşme katsayılarına sahiptir. Sayılar kükürt için yaklaşık 400 K ila tungsten için yaklaşık 3.700 arasındadır.
Termal genleşme katsayısı ayrıca malzemenin kendi sıcaklığına (özellikle cam geçiş sıcaklığının geçip geçmediğine bakılmaksızın), malzemenin yapısına ve şekline, deneyde yer alan herhangi bir katkı maddesine ve polimerin polimerleri arasında potansiyel çapraz bağlamaya göre değişiklik gösterir. madde, cisim.
Amorf polimerlerKristalin yapıları olmayanlar, yarı kristalinlerden daha düşük termal genleşme katsayılarına sahip olma eğilimindedir. Cam arasında, sodyum kalsiyum silikon oksit camı veya soda-kireç silikat camı, cam nesneler yapmak için kullanılan borosilikat camın bulunduğu 4.5 olan oldukça düşük bir 9 katsayısına sahiptir.
Maddenin Haline Göre Termal Genleşme
Isıl genleşme katılar, sıvılar ve gazlar arasında değişir. Katılar, genellikle bir kap tarafından kısıtlanmadıkça, şekillerini korurlar. Alanları, alan genişlemesi ya da yüzeysel genişleme denilen bir süreçte orijinal alanlarına göre değiştikçe genişlerken, hacimsel genişlemeyle orijinal hacme göre değişen hacimlerini de genişletirler. Bu farklı boyutlar, katıların genişlemesini birçok formda ölçmenizi sağlar.
Sıvı genleşmesinin kabın şeklini alması çok daha muhtemeldir, dolayısıyla bunu açıklamak için hacimsel genleşmeyi kullanabilirsiniz. Katılar için doğrusal termal genleşme katsayısı αsıvılar için katsayısı, β ve gazların ısıl genleşmesi ideal gaz yasasıdır PV = nRT baskı için P, Ses V, mol sayısı n, Gaz sabiti R, ve sıcaklık T.