Перевести одиниці відносної зміни довжини на градус Цельсія 1
Перевести одиниці: відносна зміна довжини на градус Цельсія [1/°C] відносна зміна довжини на кельвін [1/К]
Питомий обсяг
Загальні відомості
Зі зміною температури змінюється також і обсяг фізичних тіл та матерії. Ця 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, якщо їх складові досить великі і піддаються великій різниці температур протягом року. Наприклад, при будівництві будинку з монолітного залізобетону будівельники можуть не враховувати теплове розширення в тропіках, оскільки перепад температур там невеликий, але якщо вони не вживуть відповідних заходів у суворішому кліматі, то в стінах будинку з'являться тріщини і, зрештою, будинок зруйнується. .
Зі збільшенням температури відстань між молекулами багатьох матеріалів збільшується, і самі матеріали розширюються. У деяких матеріалах відбувається зворотний ефект. Зазвичай розширення чи звуження вимірюють при постійному тиску.
Для того, щоб визначити, як в результаті теплового розширення змінюється об'єм, площа або довжина доріг, металоконструкцій, споруд, деталей приладів використовують коефіцієнт теплового розширення. Цей коефіцієнт залежить від матеріалу та впливає на зміну довжини, площі або об'єму тіла при нагріванні та охолодженні. Нижче ми розглянемо приклади використання коефіцієнта теплового розширення у побуті, будівництві та на виробництві.
В будівництві
Якщо при будівництві не врахували теплове розширення та зміну обсягу, площі та довжини деталей та будівельних конструкцій, то перепади температури можуть призвести досерйозні пошкодження доріг, залізничних колій, будівель, трубопроводів, огорож, мостів та інших будівель. Це викликано тим, що якщо для теплового розширення не передбачені зазори, то при розширенні та подальшому звуженні будівельні матеріали розтріскуються. Найчастіше це відбувається з бетоном, металами, склом та іншими схожими матеріалами із низькою пружністю. Іноді замість тріщин матеріали згинаються – це найчастіше відбувається з металами.
У найбільш серйозних випадках, якщо скло нікуди розширюватися, воно може розлетітися на шматки від великої напруги. Будівельні конструкції з цементу від такої напруги розтріскуються та поступово руйнуються. Тротуари та дороги, а також залізничні колії частіше не розтріскуються, а згинаються вгору або в сторони. Через таке порушення форми колій та доріг нерідко трапляються автомобільні та залізничні аварії.
Існує кілька варіантів вирішення цієї проблеми. Найголовніше — зігнути чи зменшити розмір суцільних деталей та залишити між ними достатньо простору для розширення. Щоб зменшити довжину, обсяг чи площу деталей, їх часто розрізають. Наприклад, тротуар, особливо бетонний, не укладають суцільною стрічкою, а розрізають приблизно кожний метр. Такі надрізи зазвичай називають деформаційними зазорами. Зробити їх можна різними інструментами, наприклад, алмазною пилкою. Між отриманими плитами залишають достатньо місця для розширення, і нерідко заливають зазори пружним матеріалом, наприклад силіконом.
Зазори, залиті пружним матеріалом, або з'єднані між собою іншим способом, називають деформаційними швами. Такі шви забезпечують відстань між плитами та дозволяють цим плитам рухатися. Їх встановлюють на мостах, трубах, рейках та дорогах, де їхчасто і можна побачити при прогулянці, або проїжджаючи повз. Крім прямого призначення, деформаційні шви допомагають зменшити вплив на конструкцію землетрусів або іншої вібрації.
Конструкції з деформаційними зазорами також нерідко використовують і в рамах для стекол та інших матеріалів з високим коефіцієнтом теплового розширення. Усередині такої рами достатньо місця для розширення, щоб скло в спеку не розсипалося через напругу, а гнучкі прокладки між рамою та склом забезпечують герметизацію стику.
Підтримка стабільної температури — інше вирішення проблеми із розширенням. На деякі вікна наклеюють плівку, щоб зменшити кількість сонячного випромінювання, що потрапляє на скло. Такий тепловий захист називають такожтепловим бар'єром, що відбиває. На цю плівку нерідко наносять тонкий металевий шар, але при цьому частина сонячного випромінювання проходить через плівку, залишаючи вікно напівпрозорим. Плівка не тільки зменшує ймовірність того, що скло трісне, а й допомагає тримати в приміщенні нижчу температуру. Це, своєю чергою, допомагає економити електроенергію.
Вплив теплового розширення різні матеріали
Крихкі матеріали
У наведених вище прикладах ми побачили, наскільки важливо залишати простір для розширення під час роботи 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 навколишніх конструкціях. Зазвичай це відбувається, якщо тіло нерівномірно нагрівається чи охолоджується. В цьому випадку обсяг також зменшується або збільшується нерівномірно, і в результаті напруги, викликаної цим напругою, тіло розтріскується або руйнується.Так відбувається, наприклад, з виробами зі скла та кераміки.
Для запобігання термічному удару матеріали іноді посилюють. При цьому всередині них виникають напруги, обернені до деформуючої сили. У деяких випадках допомагають також поступове нагрівання або охолодження - це дозволяє тендітним матеріалам розширюватися поступово, з мінімальною напругою.
Коефіцієнт теплової напруги матеріалу можна знизити методом комбінування його з матеріалом з нижчим коефіцієнтом. Крім цього, коефіцієнт можна змінити механічно, в процесі виробництва — так роблять при виготовленні загартованого скла. Скло нерідко загартовують після того, як надали йому необхідної форми, інакше воно легко руйнується, якщо застосувати до нього силу, наприклад, при його різанні. Це відбувається внаслідок виникнення розподілених механічних напруг за обсягом скляного предмета в процесі загартування скла за допомогою нагрівання та охолодження або під час хімічної обробки.
Приклади матеріалів, які витримують високі температури та великі перепади температур – загартоване скло та кераміка. Найчастіше їх обробляють так, щоб взаємодія сил по поверхні з силами всередині виробу обмежувало рух молекул зі збільшенням температури, і тим самим запобігало структурному навантаженню, яке зазвичай присутнє в необробленому склі та кераміці. Обробка буває механічною та хімічною. Загартовані скло та кераміка розтріскуються при температурах, набагато вищі за температури для необроблених кераміки та скла. Загартовані матеріали міцніші за звичайні, тому їх нерідко використовують там, де матеріали повинні витримувати великі навантаження.
Якщо ж загартоване скло все-таки розбивається, воно розтріскується на дрібні уламки, а не на великі, як буває ззвичайним склом. Завдяки цьому, загартоване скло безпечніше і його використовують там, де велика ймовірність, що це скло розіб'ється. Наприклад, щоб захистити водія та пасажирів від травм великими осколками скла у разі аварії, в автомобілях використовують саме загартоване скло.
Застосування та облік теплового розширення у побуті та техніці
Якщо два, з'єднаних разом матеріалу знаходяться в середовищі з високими перепадами температури, то велика різниця коефіцієнтів теплового розширення може пошкодити один або обидва матеріали - тобто ці матеріали будуть піддані термічного удару. Нерідко у такій ситуації теплове розширення викликає низку 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 біметалевою 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 проградуйований відповідно. Біметалічна пластина в термометрі згорнута у вигляді спіралі, один кінець якої закріплюється нерухомо, а інший у вигляді стрілки переміщається за шкалою. При зміні температури спіраль розкручується чи скручується.
Теплове розширення також використовується в інших термометрах. Рідинні термометри складаються з ємності з рідиною з високим коефіцієнтом теплового розширення, наприклад, з ртуттю або спиртом. До ємності прикріплено трубку, по якій рідина піднімається при підвищенні температури. Шкала проградуйована так, що висота, наяку піднімається рідина, відповідає температурі.
Порівняно з ранніми термометрами, конструкція сучасних термометрів набагато вдосконалена. Наприклад, сьогодні вони показують правильну температуру за кілька хвилин, тоді як раннім термометрам потрібно було 20 хвилин і більше, щоби прийти в рівновагу з навколишнім середовищем. На сучасних максимальних і мінімальних термометрах, на відміну від термометрів, що не фіксують, показання не змінюються, поки їх не скинути вручну, наприклад, струсивши їх, у випадку з ртутними термометрами. Цифрові термометри також зберігають мінімальні та максимальні значення температури протягом заданого періоду часу.
Останнім часом на користь безпеки у багатьох країнах поступово замінюють домашні ртутні термометри спиртовими. Це робиться тому, що ртуть токсична, а прибирання території, забрудненої ртуттю, якщо випадково розбити такий термометр, займає багато часу і коштує дорого, тому набагато зручніше просто заборонити ртутні термометри.
Інші приклади
Підступ - приклад матеріалу з низьким коефіцієнтом теплового розширення. Підступ - сплав нікелю, кобальту та заліза. З нього виробляють інструменти та деталі, що використовуються у середовищі з високими температурами. Завдяки низькій ціні цього сплаву і тому, що його теплові властивості близькі до властивостей боросилікатного скла, його широко використовують у лампах та електронних компонентах, наприклад, в електронно-променевих та рентгенівських трубках, а також у магнетронах. Підступ забезпечує механічне з'єднання між електричними провідниками та скляною оболонкою електронних деталей.
Гаряча запресовка
Матеріали з високим коефіцієнтом теплового розширення зручно використовувати у разі, якщо необхідно щільно надіти одну деталь наіншу. Якщо деталі, такі як труби, не можна з'єднати при звичайній температурі, вставивши одну в іншу, можна нагріти або охолодити одну з труб, якщо вона зроблена з матеріалу з високим коефіцієнтом теплового розширення. При зміні температури труба розшириться або звузиться, її легко можна надіти зверху або вставити всередину іншої труби. Цей процес називаєтьсягарячим запресуванням. Нерідко у цій ситуації використовують метали, оскільки зазвичай їх коефіцієнт теплового розширення високий. Гаряче запресування можна проводити і з іншими матеріалами. Матеріал виробу, який нагрівають або охолоджують, повинен мати високий коефіцієнт теплового розширення у будь-якому випадку, але інша деталь може бути з дерева та іншого теплостійкого матеріалу.
Коефіцієнт теплового розширення деяких матеріалів
Нижче наведено приклади коефіцієнтів теплового розширення матеріалів, що часто використовуються в побуті та на виробництві.