Termal Genleşme - Thermal expansion

Termal genleşmeden kaynaklanan hasarı önlemek için kullanılan bir yol köprüsündeki genleşme derzi .

Termal genleşme , genellikle faz geçişlerini içermeyen , sıcaklıktaki bir değişikliğe tepki olarak maddenin şeklini , alanını , hacmini ve yoğunluğunu değiştirme eğilimidir .

Sıcaklık, bir maddenin ortalama moleküler kinetik enerjisinin monoton bir fonksiyonudur . Bir madde ısıtıldığında, moleküller daha fazla titreşmeye ve hareket etmeye başlar, genellikle kendi aralarında daha fazla mesafe oluşturur. Artan sıcaklıkla büzüşen maddeler olağandışıdır ve yalnızca sınırlı sıcaklık aralıklarında meydana gelir (aşağıdaki örneklere bakın). Sıcaklıktaki değişime bölünen bağıl genleşme ( gerilme olarak da adlandırılır ), malzemenin doğrusal termal genleşme katsayısı olarak adlandırılır ve genellikle sıcaklığa göre değişir. Parçacıklardaki enerji arttıkça, daha hızlı hareket etmeye başlarlar ve aralarındaki moleküller arası kuvvetleri zayıflatarak maddeyi genişletirler.

genel bakış

Genişlemeyi tahmin etme

Bir durum denklemi mevcutsa, diğer birçok durum fonksiyonuyla birlikte gerekli tüm sıcaklık ve basınçlarda termal genleşmenin değerlerini tahmin etmek için kullanılabilir .

Büzülme etkileri (negatif termal genleşme)

Bir dizi malzeme, belirli sıcaklık aralıklarında ısıtma konusunda sözleşme yapar; buna genellikle "termal büzülme" yerine negatif termal genleşme denir . Örneğin, suyun ısıl genleşme katsayısı, 3.983 °C'ye soğutulduğunda sıfıra düşer ve bu sıcaklığın altında negatif olur; bu, suyun bu sıcaklıkta maksimum yoğunluğa sahip olduğu anlamına gelir ve bu, uzun süreli sıfırın altındaki hava süreleri boyunca bu sıcaklığı daha düşük derinliklerde koruyan su kütlelerine yol açar. Ayrıca, oldukça saf silikon, yaklaşık 18 ila 120 kelvin arasındaki sıcaklıklar için negatif bir termal genleşme katsayısına sahiptir .

Termal genleşmeyi etkileyen faktörler

Gazların veya sıvıların aksine, katı malzemeler ısıl genleşmeye maruz kaldıklarında şekillerini koruma eğilimindedir.

Termal genleşme genellikle artan bağ enerjisi ile azalır , bu da katıların erime noktası üzerinde bir etkiye sahiptir , bu nedenle yüksek erime noktalı malzemelerin daha düşük termal genleşmeye sahip olması daha olasıdır. Genel olarak, sıvılar katılardan biraz daha fazla genleşir. Camların termal genleşmesi kristallerinkine kıyasla biraz daha yüksektir. Camsı geçiş sıcaklığında, amorf bir malzemede meydana gelen yeniden düzenlemeler, termal genleşme katsayısı ve özgül ısının karakteristik süreksizliklerine yol açar. Bu süreksizlikler, aşırı soğutulmuş bir sıvının bir cama dönüştüğü cam geçiş sıcaklığının tespit edilmesini sağlar . İlginç bir "ısıtarak soğutma" etkisi, cam oluşturan bir sıvı dışarıdan ısıtıldığında meydana gelir ve bu, sıvının derinliklerinde bir sıcaklık düşüşüne neden olur.

Suyun (veya diğer çözücülerin) absorpsiyonu veya desorpsiyonu birçok yaygın malzemenin boyutunu değiştirebilir; birçok organik malzeme, termal genleşmeden çok bu etki nedeniyle boyut değiştirir. Suya maruz kalan yaygın plastikler, uzun vadede yüzde çok genişleyebilir.

Yoğunluk üzerindeki etkisi

Termal genleşme, bir maddenin parçacıkları arasındaki boşluğu değiştirir, bu da maddenin kütlesini ihmal edilebilir şekilde değiştirirken (ihmal edilebilir miktar enerji-kütle denkliğinden gelir ) hacmini değiştirir, böylece yoğunluğunu değiştirir, bu da herhangi bir kaldırma kuvveti üzerinde etkiye sahiptir . o. Bu , eşit olmayan şekilde ısıtılan sıvı kütlelerinin taşınımında çok önemli bir rol oynar , özellikle termal genleşmeyi kısmen rüzgar ve okyanus akıntılarından sorumlu kılar .

Termal Genleşme katsayısı

Termal genleşme katsayısı , bir nesnenin boyutu sıcaklıktaki bir değişiklik ile değişiklikler açıklamaktadır. Spesifik olarak, sabit bir basınçta sıcaklıktaki derecelik değişiklik başına boyuttaki fraksiyonel değişimi ölçer, böylece daha düşük katsayılar boyuttaki değişiklik için daha düşük eğilimi tanımlar. Çeşitli katsayı türleri geliştirilmiştir: hacimsel, alan ve doğrusal. Katsayı seçimi, belirli uygulamaya ve hangi boyutların önemli olduğuna bağlıdır. Katılar için, yalnızca bir uzunluk boyunca veya bir alan üzerindeki değişimle ilgilenilebilir.

Hacimsel termal genleşme katsayısı, en temel termal genleşme katsayısıdır ve sıvılar için en alakalı olanıdır. Genel olarak, maddeler sıcaklıkları değiştiğinde genleşir veya büzülür ve her yönde genleşme veya büzülme meydana gelir. Her yönde aynı hızla genişleyen maddelere izotropik denir . İzotropik malzemeler için, alan ve hacimsel termal genleşme katsayısı, doğrusal termal genleşme katsayısından sırasıyla yaklaşık iki ve üç kat daha büyüktür.

Bu katsayıların matematiksel tanımları aşağıda katılar, sıvılar ve gazlar için tanımlanmıştır.

Genel termal genleşme katsayısı

Genel bir gaz, sıvı veya katı durumunda, hacimsel termal genleşme katsayısı şu şekilde verilir:

Türevin " p " alt simgesi, genişleme sırasında basıncın sabit tutulduğunu gösterir ve V alt simgesi, bu genel tanıma girenin hacimsel (doğrusal değil) genişleme olduğunu vurgular. Bir gaz söz konusu olduğunda, basıncın sabit tutulması önemlidir, çünkü bir gazın hacmi sıcaklıkla olduğu kadar basınçla da önemli ölçüde değişecektir. Düşük yoğunluklu bir gaz için bu ideal gazdan görülebilir.

Katılarda genişleme

Termal genleşmeyi hesaplarken, cismin genişlemekte serbest olup olmadığını veya kısıtlı olup olmadığını dikkate almak gerekir. Gövde genişlemekte serbestse, sıcaklıktaki bir artıştan kaynaklanan genleşme veya gerinme, geçerli Termal Genleşme katsayısı kullanılarak basitçe hesaplanabilir.

Vücut genişleyemeyecek şekilde kısıtlanırsa, sıcaklıktaki bir değişiklik iç strese neden olur (veya değiştirilir). Bu gerilim, elastik veya Young modülü ile karakterize edilen gerilim/gerilme ilişkisi yoluyla, cismin serbest şekilde genişlemesi durumunda oluşacak gerinim ve bu gerilimi sıfıra indirmek için gereken gerilim dikkate alınarak hesaplanabilir . Katı malzemelerin özel durumunda , dış ortam basıncı genellikle bir nesnenin boyutunu önemli ölçüde etkilemez ve bu nedenle genellikle basınç değişikliklerinin etkisini dikkate almak gerekli değildir.

Yaygın mühendislik katıları genellikle, kullanılmak üzere tasarlandıkları sıcaklık aralığında önemli ölçüde değişmeyen termal genleşme katsayılarına sahiptir, bu nedenle aşırı yüksek doğruluğun gerekli olmadığı durumlarda, pratik hesaplamalar sabit, ortalama bir değere dayalı olabilir. genişleme katsayısı.

Doğrusal genişleme

Termal genleşme nedeniyle bir çubuğun uzunluğundaki değişiklik.

Doğrusal genişleme, hacimdeki (hacimsel genişleme) değişimin aksine bir boyutta (uzunluk) değişiklik anlamına gelir. İlk yaklaşıma göre, bir nesnenin termal genleşme nedeniyle uzunluk ölçümlerindeki değişiklik, bir lineer termal genleşme katsayısı (CLTE) ile sıcaklık değişimi ile ilgilidir. Sıcaklık değişiminin derecesi başına uzunluktaki kesirli değişimdir. Basıncın ihmal edilebilir etkisini varsayarak şunları yazabiliriz:

burada belirli bir uzunluk ölçümü ve sıcaklıktaki birim değişiklik başına bu doğrusal boyutun değişim oranıdır.

Doğrusal boyuttaki değişiklik şu şekilde tahmin edilebilir:

Bu tahmin, lineer genişleme katsayısı sıcaklıktaki değişiklik üzerinde fazla değişmediği ve uzunluktaki fraksiyonel değişiklik küçük olduğu sürece iyi çalışır . Bu koşullardan herhangi biri sağlanmazsa, tam diferansiyel denklem ( kullanılarak ) entegre edilmelidir.

Gerilim üzerindeki etkiler

Çubuklar veya kablolar gibi önemli bir uzunluğa sahip katı malzemeler için, termal genleşme miktarının bir tahmini, malzeme gerinimiyle açıklanabilir ve şu şekilde verilir ve tanımlanır:

sıcaklık değişiminden önceki uzunluk ve sıcaklık değişiminden sonraki uzunluk nerede .

Çoğu katı için termal genleşme sıcaklıktaki değişimle orantılıdır:

Böylece, ya gerilim ya da sıcaklıktaki değişim şu şekilde tahmin edilebilir:

nerede

ölçülen kaydedilen iki suşları arasındaki sıcaklık farkı, bir derece Fahrenheit , Rankine derece , Celsius derece veya kelvin , ve derece için”, "derece Rankine başına", "derece Fahrenheit için" termal genleşme doğrusal katsayısıdır Santigrat” veya “kelvin başına”, sırasıyla °F -1 , R -1 , °C -1 veya K -1 ile gösterilir . Sürekli ortam mekaniği alanında , termal genleşme ve etkileri, özgerilme ve özgerilme olarak ele alınır.

Alan genişletme

Alan termal genleşme katsayısı, bir malzemenin alan boyutlarındaki değişikliği sıcaklıktaki bir değişiklikle ilişkilendirir. Sıcaklık değişiminin derecesi başına alandaki fraksiyonel değişimdir. Baskıyı göz ardı ederek şunları yazabiliriz:

nesne üzerinde bazı ilgi alanı nerede ve sıcaklıktaki birim değişim başına bu alanın değişim oranı.

Alandaki değişim şu şekilde tahmin edilebilir:

Bu denklem, alan genişleme katsayısı sıcaklıktaki değişime göre fazla değişmediği ve alandaki fraksiyonel değişim küçük olduğu sürece iyi çalışır . Bu koşullardan herhangi biri sağlanmazsa, denklem entegre edilmelidir.

Hacim genişletme (AKA Kübik Genişleme)

Bir katı için, malzeme üzerindeki basıncın etkilerini göz ardı edebiliriz ve hacimsel termal genleşme katsayısı şöyle yazılabilir:

malzemenin hacmi nerede ve bu hacmin sıcaklıkla değişim oranı.

Bu, bir malzemenin hacminin bir miktar sabit kesirli miktarda değiştiği anlamına gelir. Örneğin, 1 metreküp hacimli bir çelik blok, sıcaklık 50 K yükseltildiğinde 1.002 metreküpe genişleyebilir. Bu %0.2'lik bir genişlemedir. 2 metreküp hacimli bir çelik bloğumuz olsaydı, aynı koşullar altında 2.004 metreküpe genişler ve yine %0.2'lik bir genleşme olurdu. Hacimsel genişleme katsayısı 50 K için %0,2 veya %0,004 K- 1 olacaktır .

Genleşme katsayısını zaten biliyorsak, hacimdeki değişimi hesaplayabiliriz.

nerede hacimdeki fraksiyonel değişiklik (örneğin, 0,002) ve sıcaklıktaki değişiklik (50 °C).

Yukarıdaki örnek, sıcaklık değiştikçe genleşme katsayısının değişmediğini ve orijinal hacme kıyasla hacimdeki artışın küçük olduğunu varsayar. Bu her zaman doğru değildir, ancak sıcaklıktaki küçük değişiklikler için iyi bir yaklaşımdır. Hacimsel genleşme katsayısı sıcaklıkla önemli ölçüde değişiyorsa veya hacimdeki artış önemliyse, yukarıdaki denklemin entegre edilmesi gerekecektir:

burada T sıcaklığının bir fonksiyonu olarak hacimsel genleşme katsayısı ve , sırasıyla başlangıç ​​ve son sıcaklıklardır.

izotropik malzemeler

İzotropik malzemeler için hacimsel termal genleşme katsayısı, doğrusal katsayının üç katıdır:

Bu oran, hacmin birbirine dik üç yönden oluşması nedeniyle ortaya çıkar . Bu nedenle, izotropik bir malzemede, küçük diferansiyel değişiklikler için hacimsel genişlemenin üçte biri tek bir eksendedir. Örnek olarak, kenarları L olan bir çelik küp alın . Orijinal hacim olacak ve bir sıcaklık artışından sonra yeni hacim

L'deki değişim, kare almada çok daha küçük olan küçük bir miktar olduğu için terimleri kolayca görmezden gelebiliriz.

Yani

Yukarıdaki yaklaşım, küçük sıcaklık ve boyut değişiklikleri (yani, ne zaman ve küçük oldukları) için geçerlidir; ancak daha büyük değerleri kullanarak hacimsel ve doğrusal katsayılar arasında ileri geri gitmeye çalışıyorsak, bu geçerli değildir . Bu durumda yukarıdaki ifadedeki üçüncü terim (hatta bazen dördüncü terim) dikkate alınmalıdır.

Benzer şekilde, alan termal genleşme katsayısı lineer katsayının iki katıdır:

Bu oran, küp üzerindeki bir yüzün alanının sadece . Ayrıca, büyük değerlerle uğraşırken de aynı hususlar dikkate alınmalıdır .

Daha basit bir ifadeyle, eğer 1.01 m 1 m bir katı genişletir uzunluğu, daha sonra 1 m alanı genişler 2 1,0201 m 2 1 m ve hacim genişler 3 1.030301 m 3 .

anizotropik malzemeler

Kristaller (kübik simetriden daha az, örneğin martensitik fazlar) ve birçok kompozit gibi anizotropik yapılara sahip malzemeler , genellikle farklı yönlerde farklı doğrusal genleşme katsayılarına sahip olacaktır . Sonuç olarak, toplam hacimsel genişleme üç eksen arasında eşit olmayan bir şekilde dağıtılır. Kristal simetrisi monoklinik veya triklinik ise, bu eksenler arasındaki açılar bile termal değişimlere maruz kalır. Bu gibi durumlarda, termal genleşme katsayısını altı bağımsız elemana kadar bir tensör olarak ele almak gerekir. Tensörün elemanlarını belirlemenin iyi bir yolu, x-ışını toz kırınımı ile genişlemeyi incelemektir . Kübik simetriye sahip malzemeler için (örneğin FCC, BCC için) termal genleşme katsayısı tensörü izotropiktir.

Gazlarda izobarik genleşme

Bir için ideal bir gaz volümetrik ısıl genleşme (sıcaklık değişimi nedeniyle hacminde, yani göreceli değişim), sıcaklık değiştirildiği prosesinin tipine bağlıdır. İki basit durum, sabit basınç (bir izobarik süreç ) ve sabit hacimdir (bir izokorik süreç ).

Farklılaşması ideal gaz hukuku , olduğu

nerede basınç, özgül hacim, sıcaklık ve eşittir ( gaz sabiti ve mol cinsinden ölçülen madde miktarı).

İzobarik termal genleşme Tanım olarak, elimizdeki , böylece , izobarik ve termal genleşme katsayısıdır:

.

Benzer şekilde, eğer hacim sabit tutulursa, yani , elimizde , öyle ki, izokorik termal genleşme katsayısı

.

Sıvılarda genişleme

Teorik olarak, doğrusal genleşme katsayısı, hacimsel genleşme katsayısından ( α V  ≈ 3 α L ) bulunabilir. Sıvılar için α L , α V'nin deneysel olarak belirlenmesi yoluyla hesaplanır . Sıvıların katılardan farklı olarak belirli bir şekli yoktur ve kabın şeklini alırlar. Sonuç olarak, sıvıların belirli bir uzunluğu ve alanı yoktur, dolayısıyla sıvıların doğrusal ve alansal açılımlarının bir önemi yoktur.

Genel olarak sıvılar, ısıtıldığında genleşir. Ancak su bu genel davranışın bir istisnasıdır: 4 °C'nin altında ısınma ile büzülür. Daha yüksek sıcaklık için normal pozitif termal genleşmeyi gösterir. Sıvılarda bulunan zayıf moleküller arası kuvvetler nedeniyle sıvıların termal genleşmesi genellikle katılardan daha yüksektir.

Katıların termal genleşmesi, düşük sıcaklıklar dışında genellikle sıcaklığa çok az bağımlılık gösterirken, sıvılar farklı sıcaklıklarda farklı hızlarda genişler.

Bir sıvının görünür ve mutlak genişlemesi

Sıvıların genleşmesi genellikle bir kap içinde ölçülür. Bir kap içinde bir sıvı genleştiğinde, kap sıvı ile birlikte genişler. Dolayısıyla sıvı seviyesinin hacminde gözlemlenen artış, hacmindeki gerçek artış değildir. Sıvının kaba göre genişlemesine görünür genişlemesi denir, sıvının fiili genişlemesine ise gerçek genişleme veya mutlak genişleme denir . Birim sıcaklık artışı başına sıvının hacmindeki görünür artışın orijinal hacme oranına , görünen genleşme katsayısı denir .

Sıcaklıktaki küçük ve eşit artışlar için, bir sıvının hacmindeki (gerçek genleşme) artış, sıvının hacmindeki (görünür genişleme) görünen artış ile kapsayıcı kabın hacmindeki artışın toplamına eşittir. Böylece bir sıvının iki genleşme katsayısı vardır .

Bir sıvının genleşmesinin ölçümü, kabın genleşmesini de hesaba katmalıdır. Örneğin, gövdenin kendisini kısmen doldurmaya yetecek kadar sıvı içeren uzun ve dar gövdeli bir şişe bir ısı banyosuna yerleştirildiğinde, gövdedeki sıvı sütununun yüksekliği başlangıçta düşecek, ardından hemen bu yükseklik artacaktır. tüm şişe, sıvı ve ısı banyosu sistemi ısınana kadar. Sıvı kolonunun yüksekliğindeki ilk düşüş, sıvının başlangıçtaki büzülmesinden değil, daha çok ısı banyosuna ilk temas ettiğinde şişenin genişlemesinden kaynaklanmaktadır. Kısa bir süre sonra, şişedeki sıvı, şişenin kendisi tarafından ısıtılır ve genleşmeye başlar. Sıvılar tipik olarak katılara göre daha büyük bir genleşmeye sahip olduklarından, şişedeki sıvının genleşmesi sonunda şişenin genleşmesini aşar ve şişedeki sıvı seviyesinin yükselmesine neden olur. Sıvı kolonunun yüksekliğinin doğrudan ölçümü, sıvının görünen genişlemesinin bir ölçümüdür. Mutlak sıvı genişleme içeren kaba genişlemesi için düzeltilmiş belirgin açılımıdır.

Örnekler ve uygulamalar

Rayların uzun sürekli bölümlerinin termal genleşmesi, ray burkulmasının itici gücüdür . Bu fenomen, 1998-2002 yılları arasında yalnızca ABD'de 190 trenin raydan çıkmasına neden oldu.

Büyük yapılar tasarlarken, arazi etütleri için mesafeleri ölçmek için bant veya zincir kullanırken, sıcak malzeme dökümü için kalıplar tasarlarken ve sıcaklığa bağlı olarak boyutta büyük değişiklikler beklendiğinde diğer mühendislik uygulamalarında malzemelerin genleşmesi ve büzülmesi dikkate alınmalıdır. .

Isıl genleşme aynı zamanda mekanik uygulamalarda parçaları birbirinin üzerine oturtmak için kullanılır; örneğin, iç çapı şaftın çapından biraz daha küçük hale getirilerek bir şaftın üzerine bir burç yerleştirilebilir, ardından şaft üzerine oturana kadar ısıtılır ve şaftın üzerine itildikten sonra soğuması için 'büzülme' sağlanır. Endüksiyonla daralan makaron , metal bileşenleri 150 °C ile 300 °C arasında önceden ısıtmak için yaygın bir endüstriyel yöntemdir;

Çeşitli sıcaklıklarda fiziksel boyutta çok küçük değişiklikler gerektiren uygulamalarda kullanılan çok küçük doğrusal genleşme katsayısına sahip bazı alaşımlar mevcuttur. Bunlardan biri, yaklaşık olarak 0,6 × 10 6 K -1'e eşit genişlemeye sahip Invar 36'dır . Bu alaşımlar, geniş sıcaklık dalgalanmalarının meydana gelebileceği havacılık uygulamalarında kullanışlıdır.

Çekme aparatı , laboratuvarda metalik bir çubuğun doğrusal genleşmesini belirlemek için kullanılır. Cihaz, her iki ucu kapalı metal bir silindirden oluşur (buhar ceketi olarak adlandırılır). Buhar için bir giriş ve çıkış ile sağlanır. Çubuğu ısıtmak için gereken buhar, girişe bir kauçuk boru ile bağlanan bir kazan tarafından sağlanır. Silindirin merkezinde bir termometre yerleştirmek için bir delik bulunur. Soruşturma altındaki çubuk bir buhar ceketi içine alındı. Uçlarından biri serbesttir, ancak diğer ucu sabit bir vidaya bastırılır. Çubuğun konumu, bir mikrometre vidalı mastar veya sferometre ile belirlenir .

Bir metalin lineer termal genleşme katsayısını belirlemek için, o metalden yapılmış bir boru, içinden buhar geçirilerek ısıtılır. Borunun bir ucu sağlam bir şekilde sabitlenir ve diğer ucu, hareketi bir işaretçi ile gösterilen dönen bir şafta dayanır. Uygun bir termometre borunun sıcaklığını kaydeder. Bu, derece sıcaklık değişimi başına uzunluktaki nispi değişimin hesaplanmasını sağlar.

Aksi takdirde soğuk bardağa sıcak sıvı döküldükten sonra eşit olmayan termal genleşme nedeniyle kırık içme bardağı

Gevrek malzemelerde termal genleşmenin kontrolü, çok çeşitli nedenlerle önemli bir endişe kaynağıdır. Örneğin, hem cam hem de seramik kırılgandır ve eşit olmayan sıcaklık, yine termal strese neden olan eşit olmayan genleşmeye neden olur ve bu da kırılmaya neden olabilir. Seramiklerin çok çeşitli malzemelerle birleştirilmesi veya uyum içinde çalışması gerekir ve bu nedenle genişlemeleri uygulamaya uygun olmalıdır. Sırların alttaki porselene (veya başka bir vücut tipine) sıkıca bağlanması gerektiğinden, ısıl genleşmeleri gövdeye 'uyacak' şekilde ayarlanmalıdır, böylece çatlama veya titreme meydana gelmez. Termal genleşme onların başarısı için önemli olan ürünlerin iyi bir örnek CorningWare ve buji . Seramik gövdelerin termal genleşmesi, malzemenin istenen yönde genel genişlemesini etkileyecek kristalli türler oluşturmak için fırınlanarak kontrol edilebilir. Ek olarak veya bunun yerine gövdenin formülasyonu, matrise arzu edilen genleşmeye sahip partiküller veren malzemeleri kullanabilir. Sırların termal genleşmesi, kimyasal bileşimleri ve maruz kaldıkları pişirme programı tarafından kontrol edilir. Çoğu durumda, gövde ve sır genleşmesini kontrol etmekle ilgili karmaşık sorunlar vardır, bu nedenle termal genleşme için ayarlama, etkilenecek diğer özellikler göz önünde bulundurularak yapılmalıdır ve genellikle değiş tokuşlar gereklidir.

Termal genleşme, yer üstü depolama tanklarında depolanan benzin üzerinde gözle görülür bir etkiye sahip olabilir; bu, benzin pompalarının, kışın yeraltı depolama tanklarında tutulan benzinden daha fazla sıkıştırılmış veya yeraltı depolama tanklarında tutulan benzinden daha az sıkıştırılmış benzini dağıtmasına neden olabilir. yazın.

Isıtma boru hattında genişleme döngüsü

Isı kaynaklı genleşme, mühendisliğin çoğu alanında dikkate alınmalıdır. Birkaç örnek:

  • Metal çerçeveli pencerelerde kauçuk ara parçalar gerekir.
  • Lastik lastiklerin, yol yüzeyleri ve hava koşulları tarafından pasif olarak ısıtılması veya soğutulması ve mekanik esneme ve sürtünme ile aktif olarak ısıtılması nedeniyle çeşitli sıcaklıklarda iyi performans göstermesi gerekir.
  • Metal sıcak su ısıtma boruları uzun düz uzunluklarda kullanılmamalıdır.
  • Demiryolları ve köprüler gibi büyük yapılarda güneş çarpmasını önlemek için yapılarda genleşme derzlerine ihtiyaç vardır .
  • Soğuk araba motorlarının düşük performansının nedenlerinden biri, normal çalışma sıcaklığına ulaşılana kadar parçaların verimsiz bir şekilde geniş aralıklara sahip olmasıdır.
  • Bir ızgara sarkaç , daha sıcaklığa dayanıklı bir sarkaç uzunluğunu korumak için farklı metallerin bir düzenlemesini kullanır.
  • Sıcak bir günde bir elektrik hattı sarkıktır, ancak soğuk bir günde sıkıdır. Bunun nedeni metallerin ısı altında genleşmesidir.
  • Genleşme derzleri , bir boru sistemindeki termal genleşmeyi emer.
  • Hassas mühendislik neredeyse her zaman mühendisin ürünün termal genleşmesine dikkat etmesini gerektirir. Örneğin, bir taramalı elektron mikroskobu kullanırken , 1 derece gibi sıcaklıktaki küçük değişiklikler, bir numunenin odak noktasına göre konumunu değiştirmesine neden olabilir.
  • Sıvı termometreler , bir tüp içinde bir sıvı (genellikle cıva veya alkol) içerir ve bu, sıcaklıktaki değişiklikler nedeniyle hacmi genişlediğinde yalnızca bir yönde akmasını kısıtlar.
  • Bi-metal mekanik termometre, bimetalik bir şerit kullanır ve iki metalin farklı termal genleşmesinden dolayı bükülür.


Çeşitli malzemeler için termal genleşme katsayıları

Yarı kristal bir polipropilen için hacimsel termal genleşme katsayısı.
Bazı çelik kaliteleri için doğrusal termal genleşme katsayısı.

Bu bölüm, bazı yaygın malzemeler için katsayıları özetlemektedir.

İzotropik malzemeler için doğrusal termal genleşme α ve hacimsel termal genleşme α V katsayıları α V  = 3 α ile ilişkilidir . Sıvılar için genellikle hacimsel genleşme katsayısı listelenir ve karşılaştırma için burada doğrusal genleşme hesaplanır.

Birçok metal ve bileşik gibi yaygın malzemeler için termal genleşme katsayısı erime noktası ile ters orantılıdır . Özellikle metaller için ilişki şöyledir:

için halojenürler ve oksitler

Aşağıdaki tabloda, için aralık a 10 ila -7 K -1 sert katılar için 10 -3 K -1 organik sıvılar için. α katsayısı sıcaklığa göre değişir ve bazı malzemeler çok yüksek değişkenliğe sahiptir; örneğin, farklı basınçta bir yarı kristal polipropilen (PP) için hacimsel katsayının sıcaklık değişimine karşı değişimine ve bazı çelik kaliteleri için (alttan üste: ferritik paslanmaz çelik, martensitik paslanmaz çelik) doğrusal katsayıya karşı sıcaklık değişimine bakın. , karbon çeliği, dubleks paslanmaz çelik, östenitik çelik). Bir katıdaki en yüksek doğrusal katsayı, bir Ti-Nb alaşımı için rapor edilmiştir.

( Katılar için genellikle α V  ≈ 3 α formülü kullanılır.)

Malzeme Malzeme Türü 20 °C'de lineer
katsayı CLTE α (x10 −6 K −1 )

20 °C'de hacimsel
katsayı α V (x10 −6 K −1 )

Notlar
Alüminyum Metal 23.1 69
Pirinç Metal alaşım 19 57
Karbon çelik Metal alaşım 10.8 32.4
CFRP –0.8 anizotropik lif yönü
Beton Toplama 12 36
Bakır Metal 17 51
Elmas ametal 1 3
etanol Sıvı 250 750
Benzin Sıvı 317 950
Bardak Bardak 8.5 25.5
borosilikat cam Bardak 3.3 9.9 Tungsten , molibden ve kovar için uygun sızdırmazlık ortağı .
Gliserin Sıvı 485
Altın Metal 14 42
buz ametal 51
Invar 1.2 3.6
Demir Metal 11.8 35.4
kapton 20 60 DuPont Kapton 200TR
Öncülük etmek Metal 29 87
Macor 9.3
Nikel Metal 13 39
Meşe Biyolojik 54 Tahıl dik
Douglas köknar Biyolojik 27 75 radyal
Douglas köknar Biyolojik 45 75 teğetsel
Douglas köknar Biyolojik 3.5 75 taneye paralel
Platin Metal 9 27
Polipropilen (PP) Polimer 150 450
PVC Polimer 52 156
erimiş kuvars ametal 0,59 1.77
alfa-kuvars ametal 12-16/6-9 a eksenine/c eksenine paralel T = –50 ila 150 C
Silgi Biyolojik tartışmalı tartışmalı bkz. Konuşma
Safir ametal 5.3 C eksenine paralel veya [001]
silisyum karbür ametal 2.77 8.31
Silikon ametal 2.56 9
Gümüş Metal 18 54
" Sital " Cam-seramik 0±0.15 0±0.45 -60 °C ila 60 °C için ortalama
Paslanmaz çelik Metal alaşım 10.1 ~ 17.3 30,3 ~ 51,9
Çelik Metal alaşım 11.0 ~ 13.0 33.0 ~ 39.0 Kompozisyona bağlıdır
Titanyum Metal 8.6 26
Tungsten Metal 4.5 13,5
Suçlu ametal 69 207
" Zerodur " Cam-seramik 0,007-0,1 0 °C ila 50 °C
ALLVAR Alaşım 30 Metal alaşım -30 anizotropik geniş sıcaklık aralığında negatif termal genleşme sergiler

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar