Online Unit Converters • Термодинаміка - теплота • Конвертер коефіцієнта теплового розширення • Компактний калькулятор
- Online Unit Converters • Термодинаміка - теплота • Конвертер коефіцієнта теплового розширення • Компактний...
- В будівництві
- рішення
- Вплив теплового розширення на різні матеріали
- Застосування і облік теплового розширення в побуті і техніці
- Термометри
- інші приклади
- гаряча запрессовка
- Коефіцієнт теплового розширення деяких матеріалів
- Online Unit Converters • Термодинаміка - теплота • Конвертер коефіцієнта теплового розширення • Компактний...
- Загальні відомості
- В будівництві
- рішення
- Вплив теплового розширення на різні матеріали
- Застосування і облік теплового розширення в побуті і техніці
- Термометри
- інші приклади
- гаряча запрессовка
- Коефіцієнт теплового розширення деяких матеріалів
- Online Unit Converters • Термодинаміка - теплота • Конвертер коефіцієнта теплового розширення • Компактний...
- Загальні відомості
- В будівництві
- рішення
- Вплив теплового розширення на різні матеріали
- Застосування і облік теплового розширення в побуті і техніці
- Термометри
- інші приклади
- гаряча запрессовка
- Коефіцієнт теплового розширення деяких матеріалів
Online Unit Converters • Термодинаміка - теплота • Конвертер коефіцієнта теплового розширення • Компактний калькулятор
Загальні відомості
В будівництві
рішення
Вплив теплового розширення на різні матеріали
тендітні матеріали
Застосування і облік теплового розширення в побуті і техніці
Термометри
інші приклади
гаряча запрессовка
Коефіцієнт теплового розширення деяких матеріалів
Загальні відомості
Тонкі деформаційні зазори і широкі деформаційні шви. Деформаційні шви і зазори часто плутають, але, як видно на фотографії, це різні речі. Деформаційні зазори - просто розрізи в тротуарі, зроблені через певні інтервали. Вони не дають матеріалу розтріскуватися довільно, утворюючи штучні «тріщини». Їх часто заповнюють пружним ущільнювачем, наприклад силіконом, бітумом або гумою.
Зі зміною температури змінюється також і обсяг фізичних тіл і матерії. Це властивість називається тепловим розширенням. У зв'язку з тим, що теплове розширення викликає збільшення і зменшення площі, довжини або обсягу різних матеріалів, його необхідно враховувати при влаштуванні доріг і будівництві будівель, якщо їх складові частини досить великі і піддаються великій різниці температур протягом року. Наприклад, при будівництві будинку з монолітного залізобетону будівельники можуть не враховувати теплове розширення в тропіках, так як перепад температур там невеликий, але якщо вони не вживуть відповідних заходів в більш суворому кліматі, то в стінах будинку з'являться тріщини і, врешті-решт, будинок зруйнується .
Зі збільшенням температури відстань між молекулами багатьох матеріалів збільшується, і самі матеріали розширюються. У деяких матеріалах відбувається зворотний ефект. Зазвичай розширення або звуження вимірюють при постійному тиску.
Коефіцієнт теплового розширення металу, з якого зроблені рейки, високий, і тому в жарку погоду метал розширюється і рейки подовжуються, а в холодну погоду він звужується і рейки коротшають. Щоб не дати подовженим рейках вигнутися, їх обмежують спеціальними кріпленнями. Цього не завжди достатньо при екстремальних температурах, тому в таку погоду працівники залізниці перевіряють кожну ділянку рейок.
Для того, щоб визначити, як в результаті теплове розширення змінюється обсяг, площа або довжина доріг, металоконструкцій, споруд, деталей приладів, використовують коефіцієнт теплового розширення. Цей коефіцієнт залежить від матеріалу і впливає на зміну довжини, площі або об'єму тіла при нагріванні і охолодженні. Нижче ми розглянемо приклади використання коефіцієнта теплового розширення в побуті, будівництві та на виробництві.
Щоб забезпечити рейках місце розширюватися при високих температурах, на них роблять деформаційні зазори, як на цій фотографії. Отвори, в які вставляють кріпильні болти, роблять овальної форми, а не круглої, щоб рейки могли переміщатися при зміні їх довжини.
В будівництві
Якщо при будівництві не врахували теплове розширення і зміна обсягу, площі і довжини деталей і будівельних конструкцій, то перепади температури можуть призвести до серйозних пошкоджень доріг, залізничних колій, будівель, трубопроводів, огороджень, мостів та інших споруд. Це викликано тим, що якщо для теплового розширення не передбачені зазори, то при розширенні і подальшому звуженні будівельні матеріали розтріскуються. Найчастіше це відбувається з бетоном, металами, склом та іншими схожими матеріалами з низькою пружністю. Іноді замість тріщин матеріали згинаються - це найчастіше відбувається з металами.
У найбільш серйозних випадках, якщо склу нікуди розширюватися, воно може розлетітися на шматки від великої напруги. Будівельні конструкції з цементу від такої напруги розтріскуються і поступово руйнуються. Тротуари і дороги, а також залізничні колії частіше не розтріскуються, а згинаються вгору або в сторони. Через такого порушення форми шляхів і доріг нерідко відбуваються автомобільні та залізничні аварії.
рішення
Тротуар з деформаційними зазорами і швами
Існує кілька варіантів вирішення цієї проблеми. Найголовніше - зігнути або зменшити розмір суцільних деталей і залишити між ними досить простору для розширення. Щоб зменшити довжину, обсяг або площа деталей, їх часто розрізають. Наприклад, тротуар, особливо бетонний, що не вкладають суцільний стрічкою, а розрізають приблизно через кожен метр. Такі надрізи зазвичай називають деформаційними зазорами. Зробити їх можна різними інструментами, наприклад алмазної пилкою. Між отриманими плитами залишають достатньо місця для розширення, і нерідко заливають ці зазори пружним матеріалом, наприклад силіконом.
Обвислі лінії електропередач. Це явище можна побачити в теплу або жарку погоду. Якщо лінії електропередач сильно натягнути в теплу або жарку погоду, то при похолоданні вони вкоротили і можуть порватися.
Зазори, залиті пружним матеріалом, або з'єднані між собою іншим способом, називають деформаційними швами. Такі шви забезпечують відстань між плитами і дозволяють цим плитам рухатися. Їх встановлюють на мостах, трубах, рейках і дорогах, де їх часто і можна побачити при прогулянці, або проїжджаючи повз. Крім прямого призначення, деформаційні шви також допомагають зменшити вплив на конструкцію землетрусів чи іншої вібрації.
Конструкції з деформаційними зазорами також нерідко використовують і в рамах для стекол і для інших матеріалів з високим коефіцієнтом теплового розширення. Усередині такої рами досить місця для розширення, щоб скло в жарку погоду не розсипалася через напруги, а гнучкі прокладки між рамою і склом забезпечують герметизацію стику.
Підтримання стабільної температури - інше рішення проблеми з розширенням. На деякі вікна наклеюють плівку, щоб зменшити кількість сонячного випромінювання, яке потрапляє на скло. Таку тепловий захист називають також тепловим відображає бар'єром. На цю плівку нерідко завдають тонкий металевий шар, але зазвичай при цьому частина сонячного випромінювання проходить через плівку, залишаючи вікно напівпрозорим. Плівка не тільки зменшує ймовірність того, що скло трісне, але і допомагає тримати в приміщенні нижчу температуру. Це, в свою чергу, допомагає економити електроенергію.
Загартоване скло використовують в архітектурі. Магазин Apple на 5-й Авеню в Нью-Йорку
Вплив теплового розширення на різні матеріали
тендітні матеріали
У наведених вище прикладах ми побачили, наскільки важливо залишати простір для розширення при роботі з матеріалами з високим коефіцієнтом теплового розширення. У деяких випадках матеріали бувають настільки крихкими, що руйнуються при різкому підвищенні температури, навіть якщо можуть спокійно рухатися в оточуючих їх конструкціях. Зазвичай це відбувається, якщо тіло нерівномірно нагрівається або охолоджується. У цьому випадку обсяг також зменшується або збільшується нерівномірно, і в результаті викликаного цим напруги тіло розтріскується або руйнується. Так відбувається, наприклад, з виробами зі скла та кераміки.
Для запобігання термічного удару матеріали іноді підсилюють. При цьому всередині них виникають напруги, зворотні деформирующей силі. У деяких випадках допомагають також поступові нагрів або охолодження - це дозволяє крихким матеріалами розширюватися поступово, з мінімальним напругою.
Кришка із загартованого скла розбивається на дрібні осколки
Коефіцієнт теплового напруги матеріалу можна знизити методом комбінування його з матеріалом з більш низьким коефіцієнтом. Крім цього коефіцієнт можна змінити механічно, в процесі виробництва - так роблять при виготовленні загартованого скла. Скло нерідко загартовують після того, як додали йому необхідну форму, інакше воно легко руйнується, якщо застосувати до нього силу, наприклад при його різанні. Це відбувається внаслідок виникнення розподілених механічної напруги за обсягом скляного предмета в процесі загартування скла за допомогою нагрівання і охолоджування або під час хімічної обробки.
Для підвищення безпеки задні і бічні скла в автомобілях роблять із загартованого скла. Для ще більшої безпеки лобове скло складається з двох шарів загартованого скла, приклеєних до плівки між ними. Якщо таке скло розбити, то осколки залишаються на плівці.
Приклади матеріалів, які витримують високі температури і великі перепади температур - загартовані скло і кераміка. Найчастіше їх обробляють так, щоб взаємодія сил по поверхні з силами всередині вироби обмежувало рух молекул зі збільшенням температури, і тим самим запобігав структурну навантаження, яка зазвичай присутня в необроблених склі та кераміці. Обробка буває механічної і хімічної. Загартовані скло і кераміка розтріскуються при температурах, набагато вище температур для необроблених кераміки і скла. Загартовані матеріали міцніше звичайних, тому їх нерідко використовують там, де матеріали повинні витримувати великі навантаження.
Якщо ж загартоване скло все-таки розбивається, то воно дає тріщини на дрібні осколки, а не на великі, як буває зі звичайним склом. Завдяки цьому, загартоване скло більш безпечно і його використовують там, де велика ймовірність, що це скло розіб'ється. Наприклад, щоб захистити водія і пасажирів від травм великими осколками скла в разі аварії, в автомобілях використовують саме загартоване скло.
У деяких тендітних матеріалів дуже цікаві властивості. Хороший приклад - виріб зі скла у формі краплі, з довгим «хвостом», яке можна зробити, капнув розплавлене скло в відро холодної води. Властивості такого скла нагадують властивості загартованого скла. Іноді скло такої форми називають краплями Принца Руперта. Під час охолодження, зовнішній шар таких крапель охолоджується набагато швидше, ніж внутрішня частина, тому скло стисло всередину, тобто тиск усередині набагато більше, ніж тиск зовнішнього шару. В результаті така крапля зберігає велику потенційну енергію. Завдяки такому розподілу сил у краплі, ширша її частина витримує велике напруження, навіть удар молотком. Хвіст краплі, навпаки, дуже крихкий, і якщо його пошкодити, то вся крапля розлітається на дрібні осколки. Це дуже схоже на мініатюрний вибух. Звичайне загартоване скло не можна різати після обробки з аналогічних причин. На сайті YouTube є безліч захоплюючих відео вибуху крапель Принца Руперта, записаних на високій швидкості 100 & nbsp000 кадрів в секунду і вище.
Застосування і облік теплового розширення в побуті і техніці
біметалічний термометр
спиртовий термометр
Якщо два, з'єднаних разом матеріалу знаходяться в середовищі з високими перепадами температури, то більша різниця коефіцієнтів теплового розширення може пошкодити один або обидва матеріали - тобто ці матеріали будуть піддані термічному удару. Нерідко в такій ситуації теплове розширення викликає ряд проблем, але в деяких випадках, навпаки, зручно використовувати матеріали з різним коефіцієнтом теплового розширення. Хороший приклад - термометри.
Термометри
У деяких термометрах використовують дві з'єднані між собою пластини з різним коефіцієнтом теплового розширення. Таку систему називають біметалічною пластиною. Довжина пластин залежить від температури, і вони подовжуються або коротшають при підвищенні або зниженні температури. Різниця в довжині цих двох пластин відповідає різниці температур, і термометр проградуирован відповідно. Біметалічна пластина в термометрі згорнута у вигляді спіралі, один кінець якої закріплюється нерухомо, а інший, у вигляді стрілки, переміщається по шкалі. При зміні температури спіраль розкручується або скручується.
Теплове розширення використовується також і в інших термометрах. Рідинні термометри складаються з ємності з рідиною з високим коефіцієнтом теплового розширення, наприклад із ртуттю або спиртом. До ємності прикріплена трубка, по якій рідина піднімається при підвищенні температури. Шкала проградуірована так, що висота, на яку піднімається рідина, відповідає температурі.
У порівнянні з ранніми термометрами, конструкція сучасних термометрів набагато вдосконалена. Наприклад, сьогодні вони показують правильну температуру за кілька хвилин, в той час як раннім термометрам потрібно було 20 хвилин і більше, щоб прийти в рівновагу з навколишнім середовищем. На сучасних максимальних і мінімальних термометрах, на відміну від нефіксірующіх термометрів, свідчення не змінюються, поки їх не скинути вручну, наприклад, струснувши їх, у випадку зі ртутними термометрами. Цифрові термометри також зберігають мінімальні і максимальні значення температури протягом заданого періоду часу.
Останнім часом в інтересах безпеки в багатьох країнах поступово замінюють домашні ртутні термометри спиртовими. Це робиться тому, що ртуть токсична, а прибирання території, забрудненій ртуттю, якщо випадково розбити такий термометр, займає багато часу і дорого коштує, тому набагато зручніше просто заборонити ртутні термометри.
Лампа розжарювання з електродами з ковара
інші приклади
Ковар - приклад матеріалу з низьким коефіцієнтом теплового розширення. Ковар - сплав нікелю, кобальту і заліза. З нього виробляють інструменти і деталі, які використовуються в середовищі з високими температурами. Завдяки низькій ціні цього сплаву і тому, що його теплові властивості близькі до властивостей боросилікатного скла, його широко використовують в лампах і електронних компонентах, наприклад в електронно-променевих і рентгенівських трубках, а також в магнетронах. Ковар забезпечує механічне поєднання між електричними провідниками і скляною оболонкою електронних деталей.
гаряча запрессовка
Матеріали з високому коефіцієнтом теплового розширення зручно використовувати в разі, якщо необхідно щільно надягти одну деталь на іншу. Якщо деталі, такі як труби, не можна з'єднати при звичайній температурі, вставивши одну в іншу, то можна нагріти або охолодити одну з труб, якщо вона зроблена з матеріалу з високим коефіцієнтом теплового розширення. При зміні температури труба розшириться або звузиться і її легко можна надіти зверху або вставити всередину іншої труби. Цей процес називається гарячої запрессовкой. Нерідко в цій ситуації використовують метали, так як зазвичай їх коефіцієнт теплового розширення високий. Гарячу запрессовку можна проводити і з іншими матеріалами. Матеріал вироби, яке нагрівають або охолоджують, повинен мати високий коефіцієнт теплового розширення в будь-якому випадку, але інша деталь може бути з дерева та іншого теплостійкого матеріалу.
Коефіцієнт теплового розширення деяких матеріалів
Нижче наведені приклади коефіцієнтів теплового розширення матеріалів, часто використовуваних в побуті і на виробництві.
Матеріал Лінійний коефіцієнт теплового розширення (10-6 m • m-¹ • K-¹) Алмаз 1,2 Боросилікатне скло 4,0 Дерево, сосна 5,0 Цегляна кладка 5,5 Ковар 5,5 тугоплавких скло 5,9 Граніт 7 , 9 Платина 9,0 Чавун 10,8 Нікель 13,0 Сталь 13,0 Золото 14,2 Бетон 14,5 Мідь 16,6 Бронза 18,0 Латунь 18,7 Алюміній 22,2 Кальцій 22,3 Лід, вода при 0 ° C 51,0 Ртуть 61,0 Целулоїд 100,0
При роботі лопаті турбіни нагріваються і розширюються. Щоб не пошкодити через розширення деталі турбіни, лопаті в холодному стані прикріплені до корпусу вільно, так що між ними залишаються зазори.
література
Автор статті: Kateryna Yuri
Ви маєте труднощі в перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові вам допомогти. Опублікуйте питання в TCTerms і протягом декількох хвилин ви отримаєте відповідь.
Online Unit Converters • Термодинаміка - теплота • Конвертер коефіцієнта теплового розширення • Компактний калькулятор
Загальні відомості
В будівництві
рішення
Вплив теплового розширення на різні матеріали
тендітні матеріали
Застосування і облік теплового розширення в побуті і техніці
Термометри
інші приклади
гаряча запрессовка
Коефіцієнт теплового розширення деяких матеріалів
Загальні відомості
Тонкі деформаційні зазори і широкі деформаційні шви. Деформаційні шви і зазори часто плутають, але, як видно на фотографії, це різні речі. Деформаційні зазори - просто розрізи в тротуарі, зроблені через певні інтервали. Вони не дають матеріалу розтріскуватися довільно, утворюючи штучні «тріщини». Їх часто заповнюють пружним ущільнювачем, наприклад силіконом, бітумом або гумою.
Зі зміною температури змінюється також і обсяг фізичних тіл і матерії. Це властивість називається тепловим розширенням. У зв'язку з тим, що теплове розширення викликає збільшення і зменшення площі, довжини або обсягу різних матеріалів, його необхідно враховувати при влаштуванні доріг і будівництві будівель, якщо їх складові частини досить великі і піддаються великій різниці температур протягом року. Наприклад, при будівництві будинку з монолітного залізобетону будівельники можуть не враховувати теплове розширення в тропіках, так як перепад температур там невеликий, але якщо вони не вживуть відповідних заходів в більш суворому кліматі, то в стінах будинку з'являться тріщини і, врешті-решт, будинок зруйнується .
Зі збільшенням температури відстань між молекулами багатьох матеріалів збільшується, і самі матеріали розширюються. У деяких матеріалах відбувається зворотний ефект. Зазвичай розширення або звуження вимірюють при постійному тиску.
Коефіцієнт теплового розширення металу, з якого зроблені рейки, високий, і тому в жарку погоду метал розширюється і рейки подовжуються, а в холодну погоду він звужується і рейки коротшають. Щоб не дати подовженим рейках вигнутися, їх обмежують спеціальними кріпленнями. Цього не завжди достатньо при екстремальних температурах, тому в таку погоду працівники залізниці перевіряють кожну ділянку рейок.
Для того, щоб визначити, як в результаті теплове розширення змінюється обсяг, площа або довжина доріг, металоконструкцій, споруд, деталей приладів, використовують коефіцієнт теплового розширення. Цей коефіцієнт залежить від матеріалу і впливає на зміну довжини, площі або об'єму тіла при нагріванні і охолодженні. Нижче ми розглянемо приклади використання коефіцієнта теплового розширення в побуті, будівництві та на виробництві.
Щоб забезпечити рейках місце розширюватися при високих температурах, на них роблять деформаційні зазори, як на цій фотографії. Отвори, в які вставляють кріпильні болти, роблять овальної форми, а не круглої, щоб рейки могли переміщатися при зміні їх довжини.
В будівництві
Якщо при будівництві не врахували теплове розширення і зміна обсягу, площі і довжини деталей і будівельних конструкцій, то перепади температури можуть призвести до серйозних пошкоджень доріг, залізничних колій, будівель, трубопроводів, огороджень, мостів та інших споруд. Це викликано тим, що якщо для теплового розширення не передбачені зазори, то при розширенні і подальшому звуженні будівельні матеріали розтріскуються. Найчастіше це відбувається з бетоном, металами, склом та іншими схожими матеріалами з низькою пружністю. Іноді замість тріщин матеріали згинаються - це найчастіше відбувається з металами.
У найбільш серйозних випадках, якщо склу нікуди розширюватися, воно може розлетітися на шматки від великої напруги. Будівельні конструкції з цементу від такої напруги розтріскуються і поступово руйнуються. Тротуари і дороги, а також залізничні колії частіше не розтріскуються, а згинаються вгору або в сторони. Через такого порушення форми шляхів і доріг нерідко відбуваються автомобільні та залізничні аварії.
рішення
Тротуар з деформаційними зазорами і швами
Існує кілька варіантів вирішення цієї проблеми. Найголовніше - зігнути або зменшити розмір суцільних деталей і залишити між ними досить простору для розширення. Щоб зменшити довжину, обсяг або площа деталей, їх часто розрізають. Наприклад, тротуар, особливо бетонний, що не вкладають суцільний стрічкою, а розрізають приблизно через кожен метр. Такі надрізи зазвичай називають деформаційними зазорами. Зробити їх можна різними інструментами, наприклад алмазної пилкою. Між отриманими плитами залишають достатньо місця для розширення, і нерідко заливають ці зазори пружним матеріалом, наприклад силіконом.
Обвислі лінії електропередач. Це явище можна побачити в теплу або жарку погоду. Якщо лінії електропередач сильно натягнути в теплу або жарку погоду, то при похолоданні вони вкоротили і можуть порватися.
Зазори, залиті пружним матеріалом, або з'єднані між собою іншим способом, називають деформаційними швами. Такі шви забезпечують відстань між плитами і дозволяють цим плитам рухатися. Їх встановлюють на мостах, трубах, рейках і дорогах, де їх часто і можна побачити при прогулянці, або проїжджаючи повз. Крім прямого призначення, деформаційні шви також допомагають зменшити вплив на конструкцію землетрусів чи іншої вібрації.
Конструкції з деформаційними зазорами також нерідко використовують і в рамах для стекол і для інших матеріалів з високим коефіцієнтом теплового розширення. Усередині такої рами досить місця для розширення, щоб скло в жарку погоду не розсипалася через напруги, а гнучкі прокладки між рамою і склом забезпечують герметизацію стику.
Підтримання стабільної температури - інше рішення проблеми з розширенням. На деякі вікна наклеюють плівку, щоб зменшити кількість сонячного випромінювання, яке потрапляє на скло. Таку тепловий захист називають також тепловим відображає бар'єром. На цю плівку нерідко завдають тонкий металевий шар, але зазвичай при цьому частина сонячного випромінювання проходить через плівку, залишаючи вікно напівпрозорим. Плівка не тільки зменшує ймовірність того, що скло трісне, але і допомагає тримати в приміщенні нижчу температуру. Це, в свою чергу, допомагає економити електроенергію.
Загартоване скло використовують в архітектурі. Магазин Apple на 5-й Авеню в Нью-Йорку
Вплив теплового розширення на різні матеріали
тендітні матеріали
У наведених вище прикладах ми побачили, наскільки важливо залишати простір для розширення при роботі з матеріалами з високим коефіцієнтом теплового розширення. У деяких випадках матеріали бувають настільки крихкими, що руйнуються при різкому підвищенні температури, навіть якщо можуть спокійно рухатися в оточуючих їх конструкціях. Зазвичай це відбувається, якщо тіло нерівномірно нагрівається або охолоджується. У цьому випадку обсяг також зменшується або збільшується нерівномірно, і в результаті викликаного цим напруги тіло розтріскується або руйнується. Так відбувається, наприклад, з виробами зі скла та кераміки.
Для запобігання термічного удару матеріали іноді підсилюють. При цьому всередині них виникають напруги, зворотні деформирующей силі. У деяких випадках допомагають також поступові нагрів або охолодження - це дозволяє крихким матеріалами розширюватися поступово, з мінімальним напругою.
Кришка із загартованого скла розбивається на дрібні осколки
Коефіцієнт теплового напруги матеріалу можна знизити методом комбінування його з матеріалом з більш низьким коефіцієнтом. Крім цього коефіцієнт можна змінити механічно, в процесі виробництва - так роблять при виготовленні загартованого скла. Скло нерідко загартовують після того, як додали йому необхідну форму, інакше воно легко руйнується, якщо застосувати до нього силу, наприклад при його різанні. Це відбувається внаслідок виникнення розподілених механічної напруги за обсягом скляного предмета в процесі загартування скла за допомогою нагрівання і охолоджування або під час хімічної обробки.
Для підвищення безпеки задні і бічні скла в автомобілях роблять із загартованого скла. Для ще більшої безпеки лобове скло складається з двох шарів загартованого скла, приклеєних до плівки між ними. Якщо таке скло розбити, то осколки залишаються на плівці.
Приклади матеріалів, які витримують високі температури і великі перепади температур - загартовані скло і кераміка. Найчастіше їх обробляють так, щоб взаємодія сил по поверхні з силами всередині вироби обмежувало рух молекул зі збільшенням температури, і тим самим запобігав структурну навантаження, яка зазвичай присутня в необроблених склі та кераміці. Обробка буває механічної і хімічної. Загартовані скло і кераміка розтріскуються при температурах, набагато вище температур для необроблених кераміки і скла. Загартовані матеріали міцніше звичайних, тому їх нерідко використовують там, де матеріали повинні витримувати великі навантаження.
Якщо ж загартоване скло все-таки розбивається, то воно дає тріщини на дрібні осколки, а не на великі, як буває зі звичайним склом. Завдяки цьому, загартоване скло більш безпечно і його використовують там, де велика ймовірність, що це скло розіб'ється. Наприклад, щоб захистити водія і пасажирів від травм великими осколками скла в разі аварії, в автомобілях використовують саме загартоване скло.
У деяких тендітних матеріалів дуже цікаві властивості. Хороший приклад - виріб зі скла у формі краплі, з довгим «хвостом», яке можна зробити, капнув розплавлене скло в відро холодної води. Властивості такого скла нагадують властивості загартованого скла. Іноді скло такої форми називають краплями Принца Руперта. Під час охолодження, зовнішній шар таких крапель охолоджується набагато швидше, ніж внутрішня частина, тому скло стисло всередину, тобто тиск усередині набагато більше, ніж тиск зовнішнього шару. В результаті така крапля зберігає велику потенційну енергію. Завдяки такому розподілу сил у краплі, ширша її частина витримує велике напруження, навіть удар молотком. Хвіст краплі, навпаки, дуже крихкий, і якщо його пошкодити, то вся крапля розлітається на дрібні осколки. Це дуже схоже на мініатюрний вибух. Звичайне загартоване скло не можна різати після обробки з аналогічних причин. На сайті YouTube є безліч захоплюючих відео вибуху крапель Принца Руперта, записаних на високій швидкості 100 & nbsp000 кадрів в секунду і вище.
Застосування і облік теплового розширення в побуті і техніці
біметалічний термометр
спиртовий термометр
Якщо два, з'єднаних разом матеріалу знаходяться в середовищі з високими перепадами температури, то більша різниця коефіцієнтів теплового розширення може пошкодити один або обидва матеріали - тобто ці матеріали будуть піддані термічному удару. Нерідко в такій ситуації теплове розширення викликає ряд проблем, але в деяких випадках, навпаки, зручно використовувати матеріали з різним коефіцієнтом теплового розширення. Хороший приклад - термометри.
Термометри
У деяких термометрах використовують дві з'єднані між собою пластини з різним коефіцієнтом теплового розширення. Таку систему називають біметалічною пластиною. Довжина пластин залежить від температури, і вони подовжуються або коротшають при підвищенні або зниженні температури. Різниця в довжині цих двох пластин відповідає різниці температур, і термометр проградуирован відповідно. Біметалічна пластина в термометрі згорнута у вигляді спіралі, один кінець якої закріплюється нерухомо, а інший, у вигляді стрілки, переміщається по шкалі. При зміні температури спіраль розкручується або скручується.
Теплове розширення використовується також і в інших термометрах. Рідинні термометри складаються з ємності з рідиною з високим коефіцієнтом теплового розширення, наприклад із ртуттю або спиртом. До ємності прикріплена трубка, по якій рідина піднімається при підвищенні температури. Шкала проградуірована так, що висота, на яку піднімається рідина, відповідає температурі.
У порівнянні з ранніми термометрами, конструкція сучасних термометрів набагато вдосконалена. Наприклад, сьогодні вони показують правильну температуру за кілька хвилин, в той час як раннім термометрам потрібно було 20 хвилин і більше, щоб прийти в рівновагу з навколишнім середовищем. На сучасних максимальних і мінімальних термометрах, на відміну від нефіксірующіх термометрів, свідчення не змінюються, поки їх не скинути вручну, наприклад, струснувши їх, у випадку зі ртутними термометрами. Цифрові термометри також зберігають мінімальні і максимальні значення температури протягом заданого періоду часу.
Останнім часом в інтересах безпеки в багатьох країнах поступово замінюють домашні ртутні термометри спиртовими. Це робиться тому, що ртуть токсична, а прибирання території, забрудненій ртуттю, якщо випадково розбити такий термометр, займає багато часу і дорого коштує, тому набагато зручніше просто заборонити ртутні термометри.
Лампа розжарювання з електродами з ковара
інші приклади
Ковар - приклад матеріалу з низьким коефіцієнтом теплового розширення. Ковар - сплав нікелю, кобальту і заліза. З нього виробляють інструменти і деталі, які використовуються в середовищі з високими температурами. Завдяки низькій ціні цього сплаву і тому, що його теплові властивості близькі до властивостей боросилікатного скла, його широко використовують в лампах і електронних компонентах, наприклад в електронно-променевих і рентгенівських трубках, а також в магнетронах. Ковар забезпечує механічне поєднання між електричними провідниками і скляною оболонкою електронних деталей.
гаряча запрессовка
Матеріали з високому коефіцієнтом теплового розширення зручно використовувати в разі, якщо необхідно щільно надягти одну деталь на іншу. Якщо деталі, такі як труби, не можна з'єднати при звичайній температурі, вставивши одну в іншу, то можна нагріти або охолодити одну з труб, якщо вона зроблена з матеріалу з високим коефіцієнтом теплового розширення. При зміні температури труба розшириться або звузиться і її легко можна надіти зверху або вставити всередину іншої труби. Цей процес називається гарячої запрессовкой. Нерідко в цій ситуації використовують метали, так як зазвичай їх коефіцієнт теплового розширення високий. Гарячу запрессовку можна проводити і з іншими матеріалами. Матеріал вироби, яке нагрівають або охолоджують, повинен мати високий коефіцієнт теплового розширення в будь-якому випадку, але інша деталь може бути з дерева та іншого теплостійкого матеріалу.
Коефіцієнт теплового розширення деяких матеріалів
Нижче наведені приклади коефіцієнтів теплового розширення матеріалів, часто використовуваних в побуті і на виробництві.
Матеріал Лінійний коефіцієнт теплового розширення (10-6 m • m-¹ • K-¹) Алмаз 1,2 Боросилікатне скло 4,0 Дерево, сосна 5,0 Цегляна кладка 5,5 Ковар 5,5 тугоплавких скло 5,9 Граніт 7 , 9 Платина 9,0 Чавун 10,8 Нікель 13,0 Сталь 13,0 Золото 14,2 Бетон 14,5 Мідь 16,6 Бронза 18,0 Латунь 18,7 Алюміній 22,2 Кальцій 22,3 Лід, вода при 0 ° C 51,0 Ртуть 61,0 Целулоїд 100,0
При роботі лопаті турбіни нагріваються і розширюються. Щоб не пошкодити через розширення деталі турбіни, лопаті в холодному стані прикріплені до корпусу вільно, так що між ними залишаються зазори.
література
Автор статті: Kateryna Yuri
Ви маєте труднощі в перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові вам допомогти. Опублікуйте питання в TCTerms і протягом декількох хвилин ви отримаєте відповідь.
Online Unit Converters • Термодинаміка - теплота • Конвертер коефіцієнта теплового розширення • Компактний калькулятор
Загальні відомості
В будівництві
рішення
Вплив теплового розширення на різні матеріали
тендітні матеріали
Застосування і облік теплового розширення в побуті і техніці
Термометри
інші приклади
гаряча запрессовка
Коефіцієнт теплового розширення деяких матеріалів
Загальні відомості
Тонкі деформаційні зазори і широкі деформаційні шви. Деформаційні шви і зазори часто плутають, але, як видно на фотографії, це різні речі. Деформаційні зазори - просто розрізи в тротуарі, зроблені через певні інтервали. Вони не дають матеріалу розтріскуватися довільно, утворюючи штучні «тріщини». Їх часто заповнюють пружним ущільнювачем, наприклад силіконом, бітумом або гумою.
Зі зміною температури змінюється також і обсяг фізичних тіл і матерії. Це властивість називається тепловим розширенням. У зв'язку з тим, що теплове розширення викликає збільшення і зменшення площі, довжини або обсягу різних матеріалів, його необхідно враховувати при влаштуванні доріг і будівництві будівель, якщо їх складові частини досить великі і піддаються великій різниці температур протягом року. Наприклад, при будівництві будинку з монолітного залізобетону будівельники можуть не враховувати теплове розширення в тропіках, так як перепад температур там невеликий, але якщо вони не вживуть відповідних заходів в більш суворому кліматі, то в стінах будинку з'являться тріщини і, врешті-решт, будинок зруйнується .
Зі збільшенням температури відстань між молекулами багатьох матеріалів збільшується, і самі матеріали розширюються. У деяких матеріалах відбувається зворотний ефект. Зазвичай розширення або звуження вимірюють при постійному тиску.
Коефіцієнт теплового розширення металу, з якого зроблені рейки, високий, і тому в жарку погоду метал розширюється і рейки подовжуються, а в холодну погоду він звужується і рейки коротшають. Щоб не дати подовженим рейках вигнутися, їх обмежують спеціальними кріпленнями. Цього не завжди достатньо при екстремальних температурах, тому в таку погоду працівники залізниці перевіряють кожну ділянку рейок.
Для того, щоб визначити, як в результаті теплове розширення змінюється обсяг, площа або довжина доріг, металоконструкцій, споруд, деталей приладів, використовують коефіцієнт теплового розширення. Цей коефіцієнт залежить від матеріалу і впливає на зміну довжини, площі або об'єму тіла при нагріванні і охолодженні. Нижче ми розглянемо приклади використання коефіцієнта теплового розширення в побуті, будівництві та на виробництві.
Щоб забезпечити рейках місце розширюватися при високих температурах, на них роблять деформаційні зазори, як на цій фотографії. Отвори, в які вставляють кріпильні болти, роблять овальної форми, а не круглої, щоб рейки могли переміщатися при зміні їх довжини.
В будівництві
Якщо при будівництві не врахували теплове розширення і зміна обсягу, площі і довжини деталей і будівельних конструкцій, то перепади температури можуть призвести до серйозних пошкоджень доріг, залізничних колій, будівель, трубопроводів, огороджень, мостів та інших споруд. Це викликано тим, що якщо для теплового розширення не передбачені зазори, то при розширенні і подальшому звуженні будівельні матеріали розтріскуються. Найчастіше це відбувається з бетоном, металами, склом та іншими схожими матеріалами з низькою пружністю. Іноді замість тріщин матеріали згинаються - це найчастіше відбувається з металами.
У найбільш серйозних випадках, якщо склу нікуди розширюватися, воно може розлетітися на шматки від великої напруги. Будівельні конструкції з цементу від такої напруги розтріскуються і поступово руйнуються. Тротуари і дороги, а також залізничні колії частіше не розтріскуються, а згинаються вгору або в сторони. Через такого порушення форми шляхів і доріг нерідко відбуваються автомобільні та залізничні аварії.
рішення
Тротуар з деформаційними зазорами і швами
Існує кілька варіантів вирішення цієї проблеми. Найголовніше - зігнути або зменшити розмір суцільних деталей і залишити між ними досить простору для розширення. Щоб зменшити довжину, обсяг або площа деталей, їх часто розрізають. Наприклад, тротуар, особливо бетонний, що не вкладають суцільний стрічкою, а розрізають приблизно через кожен метр. Такі надрізи зазвичай називають деформаційними зазорами. Зробити їх можна різними інструментами, наприклад алмазної пилкою. Між отриманими плитами залишають достатньо місця для розширення, і нерідко заливають ці зазори пружним матеріалом, наприклад силіконом.
Обвислі лінії електропередач. Це явище можна побачити в теплу або жарку погоду. Якщо лінії електропередач сильно натягнути в теплу або жарку погоду, то при похолоданні вони вкоротили і можуть порватися.
Зазори, залиті пружним матеріалом, або з'єднані між собою іншим способом, називають деформаційними швами. Такі шви забезпечують відстань між плитами і дозволяють цим плитам рухатися. Їх встановлюють на мостах, трубах, рейках і дорогах, де їх часто і можна побачити при прогулянці, або проїжджаючи повз. Крім прямого призначення, деформаційні шви також допомагають зменшити вплив на конструкцію землетрусів чи іншої вібрації.
Конструкції з деформаційними зазорами також нерідко використовують і в рамах для стекол і для інших матеріалів з високим коефіцієнтом теплового розширення. Усередині такої рами досить місця для розширення, щоб скло в жарку погоду не розсипалася через напруги, а гнучкі прокладки між рамою і склом забезпечують герметизацію стику.
Підтримання стабільної температури - інше рішення проблеми з розширенням. На деякі вікна наклеюють плівку, щоб зменшити кількість сонячного випромінювання, яке потрапляє на скло. Таку тепловий захист називають також тепловим відображає бар'єром. На цю плівку нерідко завдають тонкий металевий шар, але зазвичай при цьому частина сонячного випромінювання проходить через плівку, залишаючи вікно напівпрозорим. Плівка не тільки зменшує ймовірність того, що скло трісне, але і допомагає тримати в приміщенні нижчу температуру. Це, в свою чергу, допомагає економити електроенергію.
Загартоване скло використовують в архітектурі. Магазин Apple на 5-й Авеню в Нью-Йорку
Вплив теплового розширення на різні матеріали
тендітні матеріали
У наведених вище прикладах ми побачили, наскільки важливо залишати простір для розширення при роботі з матеріалами з високим коефіцієнтом теплового розширення. У деяких випадках матеріали бувають настільки крихкими, що руйнуються при різкому підвищенні температури, навіть якщо можуть спокійно рухатися в оточуючих їх конструкціях. Зазвичай це відбувається, якщо тіло нерівномірно нагрівається або охолоджується. У цьому випадку обсяг також зменшується або збільшується нерівномірно, і в результаті викликаного цим напруги тіло розтріскується або руйнується. Так відбувається, наприклад, з виробами зі скла та кераміки.
Для запобігання термічного удару матеріали іноді підсилюють. При цьому всередині них виникають напруги, зворотні деформирующей силі. У деяких випадках допомагають також поступові нагрів або охолодження - це дозволяє крихким матеріалами розширюватися поступово, з мінімальним напругою.
Кришка із загартованого скла розбивається на дрібні осколки
Коефіцієнт теплового напруги матеріалу можна знизити методом комбінування його з матеріалом з більш низьким коефіцієнтом. Крім цього коефіцієнт можна змінити механічно, в процесі виробництва - так роблять при виготовленні загартованого скла. Скло нерідко загартовують після того, як додали йому необхідну форму, інакше воно легко руйнується, якщо застосувати до нього силу, наприклад при його різанні. Це відбувається внаслідок виникнення розподілених механічної напруги за обсягом скляного предмета в процесі загартування скла за допомогою нагрівання і охолоджування або під час хімічної обробки.
Для підвищення безпеки задні і бічні скла в автомобілях роблять із загартованого скла. Для ще більшої безпеки лобове скло складається з двох шарів загартованого скла, приклеєних до плівки між ними. Якщо таке скло розбити, то осколки залишаються на плівці.
Приклади матеріалів, які витримують високі температури і великі перепади температур - загартовані скло і кераміка. Найчастіше їх обробляють так, щоб взаємодія сил по поверхні з силами всередині вироби обмежувало рух молекул зі збільшенням температури, і тим самим запобігав структурну навантаження, яка зазвичай присутня в необроблених склі та кераміці. Обробка буває механічної і хімічної. Загартовані скло і кераміка розтріскуються при температурах, набагато вище температур для необроблених кераміки і скла. Загартовані матеріали міцніше звичайних, тому їх нерідко використовують там, де матеріали повинні витримувати великі навантаження.
Якщо ж загартоване скло все-таки розбивається, то воно дає тріщини на дрібні осколки, а не на великі, як буває зі звичайним склом. Завдяки цьому, загартоване скло більш безпечно і його використовують там, де велика ймовірність, що це скло розіб'ється. Наприклад, щоб захистити водія і пасажирів від травм великими осколками скла в разі аварії, в автомобілях використовують саме загартоване скло.
У деяких тендітних матеріалів дуже цікаві властивості. Хороший приклад - виріб зі скла у формі краплі, з довгим «хвостом», яке можна зробити, капнув розплавлене скло в відро холодної води. Властивості такого скла нагадують властивості загартованого скла. Іноді скло такої форми називають краплями Принца Руперта. Під час охолодження, зовнішній шар таких крапель охолоджується набагато швидше, ніж внутрішня частина, тому скло стисло всередину, тобто тиск усередині набагато більше, ніж тиск зовнішнього шару. В результаті така крапля зберігає велику потенційну енергію. Завдяки такому розподілу сил у краплі, ширша її частина витримує велике напруження, навіть удар молотком. Хвіст краплі, навпаки, дуже крихкий, і якщо його пошкодити, то вся крапля розлітається на дрібні осколки. Це дуже схоже на мініатюрний вибух. Звичайне загартоване скло не можна різати після обробки з аналогічних причин. На сайті YouTube є безліч захоплюючих відео вибуху крапель Принца Руперта, записаних на високій швидкості 100 & nbsp000 кадрів в секунду і вище.
Застосування і облік теплового розширення в побуті і техніці
біметалічний термометр
спиртовий термометр
Якщо два, з'єднаних разом матеріалу знаходяться в середовищі з високими перепадами температури, то більша різниця коефіцієнтів теплового розширення може пошкодити один або обидва матеріали - тобто ці матеріали будуть піддані термічному удару. Нерідко в такій ситуації теплове розширення викликає ряд проблем, але в деяких випадках, навпаки, зручно використовувати матеріали з різним коефіцієнтом теплового розширення. Хороший приклад - термометри.
Термометри
У деяких термометрах використовують дві з'єднані між собою пластини з різним коефіцієнтом теплового розширення. Таку систему називають біметалічною пластиною. Довжина пластин залежить від температури, і вони подовжуються або коротшають при підвищенні або зниженні температури. Різниця в довжині цих двох пластин відповідає різниці температур, і термометр проградуирован відповідно. Біметалічна пластина в термометрі згорнута у вигляді спіралі, один кінець якої закріплюється нерухомо, а інший, у вигляді стрілки, переміщається по шкалі. При зміні температури спіраль розкручується або скручується.
Теплове розширення використовується також і в інших термометрах. Рідинні термометри складаються з ємності з рідиною з високим коефіцієнтом теплового розширення, наприклад із ртуттю або спиртом. До ємності прикріплена трубка, по якій рідина піднімається при підвищенні температури. Шкала проградуірована так, що висота, на яку піднімається рідина, відповідає температурі.
У порівнянні з ранніми термометрами, конструкція сучасних термометрів набагато вдосконалена. Наприклад, сьогодні вони показують правильну температуру за кілька хвилин, в той час як раннім термометрам потрібно було 20 хвилин і більше, щоб прийти в рівновагу з навколишнім середовищем. На сучасних максимальних і мінімальних термометрах, на відміну від нефіксірующіх термометрів, свідчення не змінюються, поки їх не скинути вручну, наприклад, струснувши їх, у випадку зі ртутними термометрами. Цифрові термометри також зберігають мінімальні і максимальні значення температури протягом заданого періоду часу.
Останнім часом в інтересах безпеки в багатьох країнах поступово замінюють домашні ртутні термометри спиртовими. Це робиться тому, що ртуть токсична, а прибирання території, забрудненій ртуттю, якщо випадково розбити такий термометр, займає багато часу і дорого коштує, тому набагато зручніше просто заборонити ртутні термометри.
Лампа розжарювання з електродами з ковара
інші приклади
Ковар - приклад матеріалу з низьким коефіцієнтом теплового розширення. Ковар - сплав нікелю, кобальту і заліза. З нього виробляють інструменти і деталі, які використовуються в середовищі з високими температурами. Завдяки низькій ціні цього сплаву і тому, що його теплові властивості близькі до властивостей боросилікатного скла, його широко використовують в лампах і електронних компонентах, наприклад в електронно-променевих і рентгенівських трубках, а також в магнетронах. Ковар забезпечує механічне поєднання між електричними провідниками і скляною оболонкою електронних деталей.
гаряча запрессовка
Матеріали з високому коефіцієнтом теплового розширення зручно використовувати в разі, якщо необхідно щільно надягти одну деталь на іншу. Якщо деталі, такі як труби, не можна з'єднати при звичайній температурі, вставивши одну в іншу, то можна нагріти або охолодити одну з труб, якщо вона зроблена з матеріалу з високим коефіцієнтом теплового розширення. При зміні температури труба розшириться або звузиться і її легко можна надіти зверху або вставити всередину іншої труби. Цей процес називається гарячої запрессовкой. Нерідко в цій ситуації використовують метали, так як зазвичай їх коефіцієнт теплового розширення високий. Гарячу запрессовку можна проводити і з іншими матеріалами. Матеріал вироби, яке нагрівають або охолоджують, повинен мати високий коефіцієнт теплового розширення в будь-якому випадку, але інша деталь може бути з дерева та іншого теплостійкого матеріалу.
Коефіцієнт теплового розширення деяких матеріалів
Нижче наведені приклади коефіцієнтів теплового розширення матеріалів, часто використовуваних в побуті і на виробництві.
Матеріал Лінійний коефіцієнт теплового розширення (10-6 m • m-¹ • K-¹) Алмаз 1,2 Боросилікатне скло 4,0 Дерево, сосна 5,0 Цегляна кладка 5,5 Ковар 5,5 тугоплавких скло 5,9 Граніт 7 , 9 Платина 9,0 Чавун 10,8 Нікель 13,0 Сталь 13,0 Золото 14,2 Бетон 14,5 Мідь 16,6 Бронза 18,0 Латунь 18,7 Алюміній 22,2 Кальцій 22,3 Лід, вода при 0 ° C 51,0 Ртуть 61,0 Целулоїд 100,0
При роботі лопаті турбіни нагріваються і розширюються. Щоб не пошкодити через розширення деталі турбіни, лопаті в холодному стані прикріплені до корпусу вільно, так що між ними залишаються зазори.
література
Автор статті: Kateryna Yuri
Ви маєте труднощі в перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові вам допомогти. Опублікуйте питання в TCTerms і протягом декількох хвилин ви отримаєте відповідь.
