Thermische verwijding

We leggen uit wat thermische verwijding is, de typen die bestaan, en we geven verschillende voorbeelden

Waterthermische verwijding

Wat is thermische verwijding?

De Thermische verwijding o Thermische expansie is de toename van de afmetingen van de lichamen wanneer ze opwarmen. Het gebeurt met bijna alle materialen, behalve met sommigen die uitbreiden wanneer ze bevriezen, zoals water en azijnzuur, bijvoorbeeld.

De verklaring van het fenomeen ligt in de thermische agitatie van de deeltjes. Volgens de kinetische theorie zijn de moleculen die de stoffen vormen niet in rust, maar in permanente beweging.

In vaste stoffen oscilleren de deeltjes rond een vast punt, maar door de temperatuur te verhogen, groeit de amplitude van de oscillatie, en bijgevolg breidt het object uit.

Deze eigenschap van de materialen van uitbreiding met de temperatuur wordt in veel toepassingen gebruikt, bijvoorbeeld in bimetallische vloeistof en strips, deze worden op een bepaalde manier gevouwen door de temperatuur te verhogen en op deze manier kunnen circuits worden geopend of gesloten.

Soms veroorzaakt thermische verwijding echter ongemak, zoals in het geval van harsen die worden gebruikt om tandbederf te behandelen. Deze harsen breiden zich uit met warmte sneller dan tanden, waardoor ongemak veroorzaakt wanneer hete dranken worden ingenomen.

Als er bij het maken van het ontwerp niet rekening wordt gehouden met de thermische expansie, kan het stuk of het object de functionaliteit verliezen wanneer de temperatuur om een ​​of andere reden stijgt.

Soorten thermische verwijding

Deze spoorwegrails zijn gebouwd en laten een opening of opening achter, zodat thermische dilatatie geen interne spanningen veroorzaakt die de rails vervormen

De meeste materialen breiden zich uit tijdens het verwarmen, maar enkelen doen precies het tegenovergestelde, dus in principe zijn er twee soorten thermische expansie:

• De meest voorkomende, die optreedt wanneer de Materiaal neemt toe gewoon zijn afmetingen met de temperatuur en wordt genoemd verdunning of Thermische expansie.
• Negatieve thermische expansie, Als de stof haalt zijn schouders op wanneer.

Het kan u van dienst zijn: stralingswarmteoverdracht (met voorbeelden)

Volgens de overheersende afmetingen in het object kan thermische expansie zijn lineair, oppervlakkig of volumetrisch. Als u bijvoorbeeld een dunne draad of balk heeft, wordt het object verlengd en is de dilatatie lineair, omdat de lengte voornamelijk is gemodificeerd.

Aan de andere kant, wanneer een dun vel wordt verwarmd, is het oppervlakkige gebied, terwijl een drie -dimensionaal object zijn volume verhoogt. Voor elk van deze gevallen is er een eenvoudige vergelijking die wordt bereikt in een goed temperatuurbereik.

1. Lineaire verwijding

De verandering in de lengte van een dunne staaf, staaf of draad wordt aangeduid als AL en is recht evenredig met de temperatuurverandering AT en de oorspronkelijke lengte L_of:

Δl = α⋅l_ofAT

Waar:

• Δl = uiteindelijke lengte - initiële lengte = l_F - L_of
• Δt = eindtemperatuur - initiële temperatuur = t_F - T_of
• α is de evenredigheidsconstante, genoemd lineaire expansiecoëfficiënt , positief als de lengte toeneemt met de temperatuur.

De a -waarden voor verschillende stoffen, in inverse eenheden van temperatuur, zijn bijna altijd op 20 ºC, hoewel de waarde constant blijft in een goede temperatuurbereik.

De vorige vergelijking kan worden herschreven om de uiteindelijke lengte direct te berekenen:

L_F = L_of + αL_ofΔt = l_of(1 + αδt)

2. Oppervlakkige verwijding

Analoog aan de vorige vergelijking, voor een lamina met initiële oppervlakte S_of , Het kan worden aangetoond dat het nieuwe oppervlak s_F Het wordt gegeven door:

S_F = S_of + 2a_of AT

3. Volumetrische dilatatie

Ten slotte voor een eerste volumeobject V_of , Het nieuwe volume v_F is:

V_F = V_of + 3a v_of AT

Voorbeelden van thermische verwijding

Hete lucht in een ballon

De lucht in de wereld breidt uit wanneer het wordt verwarmd. Het is handig om het niet te dicht bij de vlam te brengen

Bij het verwarmen van de lucht in een ballon is deze opgeblazen, omdat het gas binnenuit groeit vanwege de temperatuurstijging. Het wordt gemakkelijk gecontroleerd door een glazen fles te bedekken met een leeggelopen ballon, die is ondergedompeld in heet water. Het wordt al snel gezien dat de ballon begint op te blazen.

Kan u dienen: Materiaalmechanica: geschiedenis, studieveld, toepassingen

Uitbreidingsverbindingen op trottoirs en wegen

Tanden -gevormde expansiekaart op een betonnen brug

Bij de constructie van trottoirs en verkeersroutes blijft er een marge over voor de uitbreidingsverbindingen, bestaande uit een scheiding tussen de platen zodat ze, wanneer de temperatuur stijgt, niet barsten.

Op snelwegen en betonnen bruggen blijven ruimtes achter met flexibel materiaal of met uitbreidingsverbindingen in de vorm van tanden die met elkaar opstaan, waardoor er spaties achterblijven. Op deze manier is er een marge voor het beton om uit te breiden en te samentrekken met de temperatuurveranderingen.

Breuken in glas

Glazen scheuren voordat plotselinge temperatuur verandert. Als een koud glazen glas wordt gevuld met zeer heet water, wordt het materiaal opgeëist, waardoor uitbreiding op sommige plaatsen wordt veroorzaakt, wat interne spanningen veroorzaakt die leiden tot breuken.

In tegenstelling tot wat wordt gedacht, scheuren de dikke glazen gemakkelijker dan het dunne glas. Het is te wijten aan het feit dat hoe dunner het materiaal, hoe sneller de warmte wordt verdeeld, dus er is geen tijd voor interne spanningen om te verschijnen.

Water bevriezen

Water is een voorbeeld van negatieve thermische expansie, dat wil zeggen, het breidt uit bij het koelen, een fenomeen dat optreedt tussen 0 en 4 ºC. Zoals bekend, zal het bij het bevriezen van een volledig volle fles water barsten.

Deze kwaliteit van water maakt het echter mogelijk voor de achtergrond van rivieren en meer.

Kan u van dienst zijn: latente hitte

Elektrisch liegen

De elektrische legkabels worden niet in een rechte lijn tussen twee palen geplaatst, maar laten enige marge achter om een ​​beetje op te hangen en een curve te vormen. Het is omdat, wanneer het weer erg koud wordt, de bedrading neigt te samentrekken.

Aan de andere kant, als het weer erg heet is, is het gebruikelijk om te zien dat de elektrische legkabels ontspannen en veel hangen.

Vliegtuigen klinknagels

In de vliegtuigen worden ze gebruikt aluminium vervaardigd om zich bij de onderdelen aan te sluiten en worden ze altijd groter gemaakt dan het overeenkomstige gat. Vervolgens, voordat je ze op hun plaats plaatst, moet je ze contracteren, ze koelen met droog ijs.

Er zijn veel redenen waarom de klinknagels eenmaal de voorkeur hebben van lassen voor vliegtuigen. Het type aluminium dat wordt gebruikt bij de vervaardiging van vliegtuigen is bijvoorbeeld moeilijk te lassen en zelfs als het wordt bereikt, wordt het lassen het materiaal verzwakt. Aan de andere kant is het gemakkelijker om de klinknagels te inspecteren en te repareren dan de lassen.

Oefening opgelost

Een dunne staaf gemaakt van bronzen meet 0.5 m lang tot 20.0 ºC. Bereken de lengte van de stang wanneer verwarmd tot 50.0 ºC, wetende dat de lineaire dilatatiecoëfficiënt van het brons bij 20 ºC is: 19 × 10^-6 ºC^-1 .

Oplossing

Omdat de balk dun is, is de vergelijking voor lineaire uitbreiding van toepassing:

L_F = L_of (1 + αδt)

Het is voldoende om de waarden in de verklaring te vervangen:

Δt = (50,0 −20.0) ºC = 30,0 ºC

L_F = 0.5 (1 + 19 × 10^-6 × 30) M = 0.500285 m