Termiskā izplešanās — definīcija, termiskais koeficients un piemēri
Termiskā izplešanās: definīcija, termiskais koeficients un praktiski piemēri — kā materiāli reaģē uz temperatūru, to ietekme būvniecībā, transportā un ikdienā. Uzzini vairāk!
Fizikā termiskā izplešanās ir vielas tilpuma izmaiņu iespējamība, mainoties temperatūrai. Kad viela tiek uzkarsēta, tās pamatdaļiņas pārvietojas ātrāk un parasti saglabā lielāku vidējo atdalījumu, kas noved pie makroskopiska izplešanās. Materiāli, kas paaugstinoties temperatūrai saraujas, ir reti; šāds efekts parādās tikai ierobežotos temperatūras diapazonos un parasti ir neliels. Paplašināšanās pakāpi, dalītu ar temperatūras izmaiņām, sauc par materiāla termiskās izplešanās koeficientu, kas bieži vien mainās atkarībā no temperatūras un materiāla struktūras.
Kā tas notiek mikro līmenī
Microskopiskā līmenī termiskā izplešanās saistīta ar atomu un molekulu svārstībām aptoņu potenciāla grēdām. Palielinoties temperatūrai, svārstību amplitūda pieaug, un, ja potenciāla enerģijas profils nav simetrisks (anharmonisms), vidējā starpatoma attāluma vērtība palielinās. Šis efekts ir pamatcēlonis gan lineārai, gan tilpuma izplešanās uzvedībai cietvielās, šķidrumos un gāzēs.
Termiskie koeficienti un formulas
Visbiežāk lietotie koeficienti ir:
- Lineārais termiskais koeficients (α) — raksturo garuma izmaiņu attiecību: ΔL = α · L0 · ΔT, kur L0 ir sākotnējais garums, ΔL garuma izmaiņa un ΔT temperatūras izmaiņa. Viens no tipiskajiem mērvienību pierakstiem ir 1/°C vai K⁻¹.
- Tilpuma (volumetriskais) koeficients (β) — raksturo tilpuma izmaiņu attiecību: ΔV = β · V0 · ΔT. Iegūst aptuveni β ≈ 3α isotropiskām cietvielām.
Ja izplešanās ir ierobežota (piem., materiāls ir stingri ierobežots), temperatūras izmaiņas rada iekšējo spiedienu jeb termālo spriegumu. Vienkāršākajā gadījumā, ja garuma izmaiņai nepieļauj kustību, radītais spriegums aptuveni ir σ = E · α · ΔT (E — materiāla elastības modulis).
Piemēri un praktiskie pielietojumi
- Termometri — vienkāršs termiskās izplešanās izmantojums. Termometros piepildīta kolba un tievs trekns stobriņš ļauj šķidrumam, parasti šķidrums, pārvietoties gar stobriņu, reaģējot uz temperatūras maiņu (piem., dzīvsudraba vai spirta termometri).
- Bimetāla sloksnes — divu dažādu materiālu slāņu salikums, kuriem ir atšķirīgi α koeficienti; temperatūras izmaiņu rezultātā sloksne izliekas un to izmanto termostatos un sildītāju regulatoros.
- Tilti un citi ilgi konstrukciju elementi — pietiekami lieli gabali (tilti, dzelzceļa sliedes, ceļu segumi) izplešanās dēļ var pārvietoties; inženieri izmanto izplešanās locītavas (expansion joints), lai izvairītos no deformācijām un plaisām.
- Ikdienas piemēri — elektriskie vadi vasarā kļūst “atslābuši” (garāki), metāla vāciņi no burkām bieži atveras vieglāk pēc siltuma vai auksta ūdens, un stikla priekšmeti var saplīst strauju temperatūras svārstību dēļ.
- Vairāk specifiski gadījumi — ūdens anomālija: starp 0 °C un 4 °C ūdens sarūk, jo molekulu struktūra veido īpašu, mazāk blīvu režģi ledus kristalizācijai; ir arī materiāli ar negatīvu termisko izplešanos (piem., dažas keramikas un oksīdu struktūras), ko izmanto kompozītmateriālu un precīzu ierīču projektēšanā.
Termiskā izplešanās dzelzceļos un drošība
Siltumizplešanās var kļūt par vilcienu problēmu, jo tā var izraisīt sliežu izliekšanos. Lai mazinātu risku, sliedes tiek projektētas ar šuvēm vai speciālām savienojumu konstrukcijām, kas ļauj materiālam izplesties bez deformācijām. Tāpat tiek izmantoti monitori un temperatūras uzraudzības sistēmas, lai, ja temperatūra kļūtu pārmērīgi augsta, vilcienus varētu brīdināt un likt tiem samazināt ātrumu, tādējādi samazinot berzes radīto karstumu. Dažkārt sliežu iekšējās daļas nokrāso baltā krāsā, lai atstarotu saules starojumu un samazinātu pārkaršanu, kas var veicināt izliekšanos.
Inženierijas risinājumi un materiālu izvēle
Inženieri un materiālu speciālisti izmanto vairākas stratēģijas, lai kontrolētu termisko izplešanos:
- iecelt izplešanās šuves un slēdzenes konstrukcijās;
- izvēlēties materiālus ar zemiem α koeficientiem vai izvēlēties kompozītus, kas kompensē izplešanos;
- temperatūras kontrole (izolācija, ventilācija, krāsošana ar atstarojošām krāsām);
- projektēt tolerances un montāžas šuvju izmērus, ņemot vērā gaidāmās temperatūras amplitūdas.
Kopsavilkums
Termiskā izplešanās ir plaši izplatīts un inženierijā nozīmīgs fenomens — to izraisa atomu un molekulu svārstību palielināšanās, un to raksturo lineārais (α) un tilpuma (β) koeficients. Zināšanas par izplešanos ļauj droši un efektīvi projektēt gan vienkāršas ierīces (termometri, bimetālas sloksnes), gan lielas konstrukcijas (tilti, sliedes), kā arī risināt problēmas, ko rada temperatūras svārstības.
Jautājumi un atbildes
J: Kas fizikā ir termiskā izplešanās?
A: Termiskā izplešanās fizikā ir vielas tendence mainīt tilpumu, mainoties temperatūrai.
J: Kas notiek ar vielas pamatdaļiņām, kad to uzkarsē?
A: Kad viela tiek uzkarsēta, tās pamatdaļiņas pārvietojas ātrāk un saglabā lielāku vidējo atdalījumu.
Jautājums: Vai materiāli, kas, paaugstinoties temperatūrai, saraujas, ir izplatīti vai reti sastopami?
A: Materiāli, kas, paaugstinoties temperatūrai, saraujas, ir reti sastopami.
J: Kāds ir termiskās izplešanās koeficients?
A: Termiskās izplešanās koeficients ir izplešanās pakāpe, kas dalīta ar materiāla temperatūras izmaiņām, kuras parasti mainās atkarībā no temperatūras.
J: Vai termiskā izplešanās var radīt problēmas vilcieniem?
A: Jā, termiskā izplešanās var kļūt par vilcienu problēmu, jo tā var izraisīt sliežu izliekšanos.
J: Kā termometros izmanto termisko izplešanos?
A: Termometros ir šķidrums, kas var kustēties tikai vienā virzienā (pa caurulīti), kad tilpums mainās līdz ar temperatūru.
J: Ko dara monitori uz vilcienu sliedēm, ja temperatūra kļūst pārmērīgi augsta?
A: Uz vilcienu sliedēm esošie monitori brīdina iestādes, ja temperatūra kļūst pārmērīgi augsta, un vilcieniem var likt samazināt ātrumu, lai samazinātu berzes radīto karstumu.
Meklēt