Коэффициент теплового расширения

Автор: Leandro Alegsa Дата создания: 17 сентября 2022 г.

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
Стекло	8.5
GaAs	5.8
Фосфид индия	4.6
Вольфрам	4.5
Стекло, Pyrex	3.3
Кремний	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.