Коэффициент теплового расширения
Твердые тела в основном расширяются в ответ на нагревание и сжимаются при охлаждении. Эта реакция на изменение температуры выражается коэффициентом теплового расширения.
Используется коэффициент теплового расширения:
- при линейном тепловом расширении
- в области теплового расширения
- в объемном тепловом расширении
Эти характеристики тесно связаны между собой. Коэффициент объемного теплового расширения может быть измерен для всех веществ конденсированной материи (жидкостей и твердого состояния). Линейное тепловое расширение может быть измерено только в твердом состоянии и широко распространено в инженерных приложениях.
Коэффициенты теплового расширения для некоторых распространенных материалов
Расширение и сжатие материала необходимо учитывать при проектировании крупных сооружений, при использовании рулетки или цепи для измерения расстояний при землеустройстве, при проектировании форм для литья горячего материала и в других инженерных приложениях, когда ожидаются значительные изменения размеров под воздействием температуры. Диапазон для α составляет от 10-7 для твердых тел до 10-3 для органических жидкостей. α изменяется с температурой, и некоторые материалы имеют очень высокую вариацию. Некоторые значения для распространенных материалов, приведенные в частях на миллион на градус Цельсия: (ПРИМЕЧАНИЕ: Это может быть также в кельвинах, поскольку изменения температуры находятся в соотношении 1:1)| коэффициент линейного теплового расширения α | |
| материал | α в 10-6 /K при 20 °C |
| Ртуть | 60 |
| BCB | 42 |
| Вести | 29 |
| Алюминий | 23 |
| Латунь | 19 |
| Нержавеющая сталь | 17.3 |
| Медь | 17 |
| Золото | 14 |
| Никель | 13 |
| Бетон | 12 |
| Железо или сталь | 11.1 |
| Углеродистая сталь | 10.8 |
| Платина | 9 |
| 8.5 | |
| GaAs | 5.8 |
| Фосфид индия | 4.6 |
| Вольфрам | 4.5 |
| Стекло, Pyrex | 3.3 |
| 3 | |
| Инвар | 1.2 |
| Алмаз | 1 |
| Кварц, плавленый | 0.59 |
Приложения
Для приложений, использующих свойство теплового расширения, см. биметаллический и ртутный термометр
Тепловое расширение также используется в механических приложениях для подгонки деталей друг к другу, например, втулка может быть установлена на вал, если сделать ее внутренний диаметр немного меньше диаметра вала, затем нагреть ее, пока она не будет установлена на вал, и дать ей остыть после того, как она будет надвинута на вал, таким образом, достигается "усадочная посадка".
Существуют некоторые сплавы с очень малым CTE, используемые в приложениях, где требуются очень малые изменения физических размеров в диапазоне температур. Одним из таких сплавов является инвар 36 с коэффициентом в диапазоне 0,6x10-6 . Такие сплавы полезны в аэрокосмической промышленности, где возможны большие перепады температур.
Вопросы и ответы
В: Что такое коэффициент теплового расширения?
A: Коэффициент теплового расширения - это показатель того, насколько сильно расширяется или сжимается твердое тело при изменении температуры.
В: Каковы три типа теплового расширения?
О: Три вида теплового расширения: линейное тепловое расширение, площадное тепловое расширение и объемное тепловое расширение.
В: В чем разница между линейным и объемным тепловым расширением?
О: Линейное тепловое расширение относится к изменению длины, а объемное тепловое расширение - к изменению объема.
В: Можно ли измерить коэффициент объемного теплового расширения для жидкостей?
О: Да, коэффициент объемного теплового расширения может быть измерен для всех конденсированных веществ, включая жидкости.
В: В каком состоянии можно измерить линейное тепловое расширение?
О: Линейное тепловое расширение можно измерить только в твердом состоянии.
В: Почему линейное тепловое расширение часто используется в технике?
О: Линейное тепловое расширение широко применяется в технике, поскольку оно актуально для конструкций и компонентов, которые должны сохранять свою форму и размеры при изменении температуры.
В: Являются ли различные виды теплового расширения тесно связанными между собой?
О: Да, различные виды теплового расширения (линейное, площадное и объемное) тесно связаны между собой.
