Cietās vielas lielākoties izplešas, sildoties, un saraujas, atdziestot. Šo reakciju uz temperatūras izmaiņām izsaka kā termiskās izplešanās koeficientu.

Tiek izmantots termiskās izplešanās koeficients:

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.