Коефициент на топлинно (термично) разширение — определение и видове
Коефициент на топлинно разширение: определение, видове (линейно и обемно), методи за измерване и инженерни приложения — как материалите реагират на промени в температурата.
Твърдите тела се разширяват най-вече при нагряване и се свиват при охлаждане. Този отговор на промяната на температурата се изразява като коефициент на термично разширение. При по-общо разглеждане този коефициент описва колко се променя размерът (дължина, площ или обем) на вещество при промяна на температурата.
Използва се коефициентът на топлинно разширение:
- при линейно топлинно разширение
- в областта на топлинното разширение
- при обемно топлинно разширение
Какво представлява коефициентът на топлинно разширение
Коефициентът на топлинно разширение количествено свързва относителната промяна на размер с промяната на температурата. За линейно разширение се използва коефициентът α (алфа), дефиниран като:
α = (1/L) · (dL/dT)
където L е дължината при дадена референтна температура, dL е малката промяна на дължината при промяна на температурата dT. За обемно разширение се използва β (бета):
β = (1/V) · (dV/dT)
Единицата за α и β е 1/К (или 1/°C), тъй като отношението описва промяна на относителен размер на единица температура.
Видове топлинно разширение
- Линейно (едномерно) — промяната на дължина по една ос; важи предимно за твърди тела и често се използва в инженерни изчисления.
- Ареално (двумерно) — промяна на площ; за малки температурни промени приближително = 2α.
- Обемно (тримерно) — промяната на обем; за изотропни материали при малки изменения на температурата β ≈ 3α.
Особености и зависимост от материала и температурата
Коефициентът на разширение зависи силно от вида на материала и от температурния интервал. Някои ключови моменти:
- За метали като алуминий α е сравнително голям (~22·10⁻⁶ /K), за стомана е среден (~11–13·10⁻⁶ /K), а за стъкло и керамика може да бъде много малък.
- Някои сплави (например Invar) имат изключително малък коефициент на разширение, което ги прави полезни там, където се изисква размерна стабилност при промяна на температурата.
- Някои вещества проявяват аномалии — например вода има отрицателен коефициент между 0 °C и 4 °C (скъсява се при охлаждане до 4 °C, след което се разширява при замръзване).
- Кристалните материали могат да бъдат анизотропни — α зависи от посоката в кристалната решетка.
- При големи температурни промени коефициентът не е константа и разширението става нелинейно; близо до фазови преходи стойностите могат рязко да се променят.
Приложения и практически последици
Топлинното разширение има множество практически последствия:
- Конструкции и инженерни съоръжения трябва да предвидят разширения чрез деформационни фуги и компенсатори, в противен случай възникват вътрешни напрежения и пукнатини.
- Биметални ленти в термостати използват различни коефициенти за превръщане на температурната промяна в механично изместване.
- Проектирането на прецизни инструменти и оптични системи изисква материали с минимално термично разширение.
- В дневния живот — изборът на материали за ръждясващи тръби, греди, релси и мостове взема предвид термичното разширение.
Измерване и практическо определяне
Коефициентите се определят експериментално чрез измерване на промяната на дължина/обем при точно известен температурен интервал. За много точни измервания се използват дилатометри. Също така при инженерни изчисления често се използват средни стойности за определен температурен диапазон.
Тези характеристики са тясно свързани. Коефициентът на обемно топлинно разширение може да бъде измерен за всички вещества в кондензирано състояние (течности и твърдо състояние). Линейното топлинно разширение може да се измерва само в твърдо състояние и е често срещано в инженерните приложения. При практическо моделиране е важно да се избере правилният тип коефициент (линейен, ареален или обемен) и да се има предвид температурната зависимост и възможната анизотропия на материала.
Кратко резюме: Коефициентът на топлинно (термично) разширение е мярка за това колко се променя размерът на материал при промяна на температурата. Съществуват линейни, ареални и обемни коефициенти, единицата е 1/К, а стойностите и поведението зависят от вида материал, кристалната структура и температурния интервал.
Коефициенти на топлинно разширение за някои често срещани материали
Разширяването и свиването на материала трябва да се отчита при проектиране на големи конструкции, при използване на лента или верига за измерване на разстояния при геодезически измервания, при проектиране на форми за леене на горещ материал и при други инженерни приложения, когато се очакват големи промени в размерите, дължащи се на температурата. Диапазонът за α е от 10-7 за твърди тела до 10-3 за органични течности. α варира в зависимост от температурата и при някои материали вариацията е много голяма. Някои стойности за често срещани материали, дадени в части на милион на градус по Целзий: (ЗАБЕЛЕЖКА: Това може да бъде и в келвини, тъй като промените в температурата са в съотношение 1:1)| коефициент на линейно топлинно разширение α | |
| материал | α в 10-6 /K при 20 °C |
| 60 | |
| BCB | 42 |
| Водещ | 29 |
| Алуминий | 23 |
| Месинг | 19 |
| Неръждаема стомана | 17.3 |
| Мед | 17 |
| Злато | 14 |
| Никел | 13 |
| Бетон | 12 |
| Желязо или стомана | 11.1 |
| Въглеродна стомана | 10.8 |
| Platinum | 9 |
| 8.5 | |
| GaAs | 5.8 |
| Индиев фосфид | 4.6 |
| Волфрам | 4.5 |
| Стъкло, Pyrex | 3.3 |
| 3 | |
| Invar | 1.2 |
| 1 | |
| Кварц, разтопен | 0.59 |
Приложения
За приложения, при които се използва свойството топлинно разширение, вижте двуметален и живачен термометър
Топлинното разширение се използва и в механични приложения за напасване на части една върху друга, напр. втулка може да се монтира върху вал, като вътрешният ѝ диаметър е малко по-малък от диаметъра на вала, след това се нагрява, докато пасне върху вала, и се оставя да изстине, след като е била натисната върху вала, като по този начин се постига "свиване".
Съществуват някои сплави с много малка СТЕ, които се използват в приложения, изискващи много малки промени във физическите размери в различни температурни диапазони. Една от тях е Invar 36, с коефициент в диапазона 0,6x10-6 . Тези сплави са полезни в космическите приложения, където могат да възникнат големи температурни колебания.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява коефициентът на топлинно разширение?
О: Коефициентът на термично разширение е мярка за това колко се разширява или свива едно твърдо тяло в отговор на температурните промени.
В: Кои са трите вида топлинно разширение?
О: Трите вида топлинно разширение са линейно топлинно разширение, площно топлинно разширение и обемно топлинно разширение.
В: Каква е разликата между линейното и обемното топлинно разширение?
О: Линейното топлинно разширение се отнася до промени в дължината, докато обемното топлинно разширение се отнася до промени в обема.
В: Може ли да се измери коефициентът на обемно топлинно разширение за течности?
О: Да, коефициентът на обемно топлинно разширение може да се измерва за всички кондензирани вещества, включително течности.
В: В какво състояние може да се измери линейното топлинно разширение?
О: Линейното топлинно разширение може да се измерва само в твърдо състояние.
В: Защо линейното топлинно разширение е често срещано в инженерните приложения?
О.: Линейното топлинно разширение е често срещано в инженерните приложения, тъй като е от значение за конструкции и компоненти, които трябва да запазят формата и размера си при различни температури.
В: Различните видове топлинно разширение тясно свързани ли са?
О: Да, различните видове топлинно разширение (линейно, площно и обемно) са тясно свързани.
обискирам