Termiskās izplešanās koeficients — definīcija, formula un pielietojums
Cietās vielas lielākoties izplešas, sildoties, un saraujas, atdziestot. Šo reakciju uz temperatūras izmaiņām izsaka kā termiskās izplešanās koeficientu.
Tiek izmantots termiskās izplešanās koeficients:
- lineārā termiskā izplešanās
- zonā termiskā izplešanās
- tilpuma termiskās izplešanās
Šīs īpašības ir cieši saistītas. Tilpuma termiskās izplešanās koeficientu var izmērīt visām kondensētām vielām (šķidrumiem un cietvielām). Lineāro termisko izplešanos var izmērīt tikai cietā stāvoklī, un to parasti izmanto inženiertehniskajos lietojumos.
Definīcija un formulas
Lineārais termiskās izplešanās koeficients α tiek definēts kā relatīvā garuma izmaiņa vienā temperatūras vienībā:
α = (1 / L) · (dL / dT)
Praktiski, pie nemainīga koeficienta un nelielām temperatūras izmaiņām izmanto diferenciālo tuvinājumu:
ΔL ≈ α · L0 · ΔT
Tilpuma (volumetriskais) termiskās izplešanās koeficients β ir analoģiski definēts ar tilpumu V:
β = (1 / V) · (dV / dT)
Izotropiskām cietvielām pie maziem deformācijas apjomiem parasti β ≈ 3α.
Vienības: 1/K (Kelvina apgriezts) vai 1/°C — skaitliski abas vienības ir ekvivalentas, jo temperatūras intervāla vienības burtiski pārsedzas.
Temperatūras un materiāla atkarība
- Termiskais koeficients var mainīties ar temperatūru; daudzi materiāli uzvedas nelineāri pie lielām temperatūras svārstībām.
- Dažiem materiāliem var būt negatīvs izplešanās koeficients noteiktos temperatūras intervālos — piemēram, ūdens anomālija 0–4 °C vai specifiskas keramikas un oksīdu struktūras (piem., ZrW2O8) ar negatīvu izplešanos.
- Kristāli un kompozīti var būt anizotropiski — izplešanās atšķiras virzienos, tāpēc izplešanās ir tensorveidīga īpašība.
Mērīšanas metodes
- Dilatometri — tradicionālas ierīces, kas mēra garuma izmaiņas ar augstu precizitāti.
- Interferometrija — ļoti precīzas metodes mazu deformāciju noteikšanai.
- Stiepes spiedes (strain gauges) un termiskie sensoru kompleksi inženierapstākļos.
Inženiertehniskie pielietojumi un sekas
Termiskās izplešanās koeficienta zināšana ir būtiska konstrukciju projektēšanā, jo temperatūras izmaiņas var radīt:
- Atļautās vai liekās deformācijas — nepieciešami izplešanās šuvju risinājumi (piem., tiltam, dzelzceļa sliedēm).
- Termisko spriegumu veidošanos, ja objekts ir ierobežots. Vienkāršā gadījumā, ja deformācija ir pilnīgi ierobežota, termiskais spriegums σ ≈ E · α · ΔT (kur E ir materiāla moduluss).
- Materiālu savienojumu problēmas — dažādu α materiālu savienojumos var rasties lūzumi, atlobīšanās vai nolietojums temperatūras ciklu laikā.
- Bimetāla sloksnes — izmanto termiskajās relejos un termostatos, balstoties uz atšķirīgām izplešanās īpašībām.
Praktiski piemēri — tipiskās vērtības
- Alumīnijs: apm. 23 × 10⁻⁶ K⁻¹
- Tērauds: apm. 11–13 × 10⁻⁶ K⁻¹
- Kopējais stikls (float): apm. 9 × 10⁻⁶ K⁻¹
- Varš: apm. 16–17 × 10⁻⁶ K⁻¹
- Betons: apm. 7–12 × 10⁻⁶ K⁻¹ (atkarībā no sastāva)
Šīs vērtības ir aptuvenas un konkrētam materiālam jāņem vērā ražotāja datasheet vai eksperiments, jo sastāvs un apstrāde maina α vērtību.
Dizaina ieteikumi
- Ja iespējams, izvēlieties materiālus ar līdzīgiem α, lai mazinātu spriegumus savienojumos.
- Iekļaujiet izplešanās šuves vai elastīgus savienojumus konstrukcijās, kur paredzamas lielas temperatūras svārstības.
- Augstprecizitātas ierīcēs (optika, elektronika) ņemiet vērā termiskā koeficienta ne tikai līmeni, bet arī tā atkarību no temperatūras un laika (krošanās un ķīmiskas pārmaiņas var ietekmēt dimensiju stabilitāti).
Termiskās izplešanās koeficients ir vienkāršs, bet inženiertehniski kritisks parametrs — tā precīza izpratne un mērījumi palīdz izvairīties no struktūru bojājumiem, nodrošināt ilgmūžību un drošu darbību dažādās temperatūras vidēs.
Dažu izplatītu materiālu termiskās izplešanās koeficienti
Materiāla izplešanās un saraušanās jāņem vērā, projektējot lielas konstrukcijas, izmantojot lentes vai ķēdes attālumu mērīšanai zemes uzmērīšanai, projektējot veidnes karsta materiāla liešanai un citos inženiertehniskajos lietojumos, kad gaidāmas lielas izmēru izmaiņas temperatūras dēļ. α diapazons ir no 10-7 cietām cietvielām līdz 10-3 organiskiem šķidrumiem. α mainās atkarībā no temperatūras, un dažiem materiāliem ir ļoti lielas svārstības. Dažas vērtības parastiem materiāliem, kas izteiktas miljondaļās uz vienu Celsija grādu: (PIEZĪME: to var izteikt arī kelvīnos, jo temperatūras izmaiņas ir 1:1).| lineārās termiskās izplešanās koeficients α | |
| materiāls | α in 10-6 /K pie 20 °C |
| 60 | |
| BCB | 42 |
| Vadošais | 29 |
| Alumīnijs | 23 |
| Misiņa | 19 |
| Nerūsējošais tērauds | 17.3 |
| Varš | 17 |
| Zelts | 14 |
| Niķelis | 13 |
| 12 | |
| Dzelzs vai tērauds | 11.1 |
| Oglekļa tērauds | 10.8 |
| Platīna | 9 |
| 8.5 | |
| GaAs | 5.8 |
| Indija fosfīds | 4.6 |
| Volframs | 4.5 |
| Stikls, Pyrex | 3.3 |
| 3 | |
| Invar | 1.2 |
| 1 | |
| Kvarcs, kausēts | 0.59 |
Pieteikumi
Par lietojumiem, kuros izmanto termiskās izplešanās īpašību, skatiet bimetāla un dzīvsudraba termometru.
Termisko izplešanos izmanto arī mehānikā, lai detaļas uzmontētu viena uz otras, piemēram, ieliktni var uzmontēt uz vārpstas, padarot tās iekšējo diametru nedaudz mazāku par vārpstas diametru, pēc tam to uzkarsējot, līdz tā pieguļ vārpstai, un ļaujot tai atdzist pēc tam, kad tā ir uzspiesta uz vārpstas, tādējādi panākot "saraušanos".
Pastāv daži sakausējumi ar ļoti mazu CTE, kurus izmanto lietojumos, kur nepieciešamas ļoti mazas fizikālo izmēru izmaiņas dažādos temperatūras diapazonos. Viens no tiem ir Invar 36 ar koeficientu 0,6x10-6 diapazonā. Šādi sakausējumi ir noderīgi kosmiskās aviācijas un kosmosa lietojumos, kur iespējamas lielas temperatūras svārstības.
Jautājumi un atbildes
J: Kāds ir termiskās izplešanās koeficients?
A: Termiskās izplešanās koeficients ir rādītājs, kas nosaka, cik ļoti cieta viela izplešas vai saraujas, mainoties temperatūrai.
J: Kādi ir trīs termiskās izplešanās veidi?
A: Trīs termiskās izplešanās veidi ir lineārā termiskā izplešanās, termiskā izplešanās laukumā un tilpuma termiskā izplešanās.
J: Kāda ir atšķirība starp lineāro termisko izplešanos un tilpuma termisko izplešanos?
A: Lineārā termiskā izplešanās attiecas uz garuma izmaiņām, bet tilpuma termiskā izplešanās - uz tilpuma izmaiņām.
J: Vai šķidrumiem var izmērīt tilpuma termiskās izplešanās koeficientu?
A: Jā, tilpuma termiskās izplešanās koeficientu var izmērīt visām kondensētām vielām, arī šķidrumiem.
J: Kādā stāvoklī var izmērīt lineāro termisko izplešanos?
A: Lineāro termisko izplešanos var izmērīt tikai cietā stāvoklī.
J: Kāpēc lineārā termiskā izplešanās ir izplatīta inženiertehniskajos lietojumos?
A: Lineārā termiskā izplešanās ir izplatīta inženiertehniskajos lietojumos, jo tā ir svarīga konstrukcijām un sastāvdaļām, kurām ir jāsaglabā forma un izmēri mainīgās temperatūrās.
J: Vai dažādi termiskās izplešanās veidi ir cieši saistīti?
A: Jā, dažādi termiskās izplešanās veidi (lineārā, platuma un tilpuma) ir cieši saistīti.
