Что такое тепловое расширение какие виды теплового расширения вам известны кратко

Обновлено: 05.07.2024

При изменении температуры изменяются размеры твёрдых тел. Расширение под воздействием температуры характеризуется коэффициентом линейного термического расширения.

Коэффициент линейного термического расширения показывает, на какую часть первоначальной длины или ширины изменится размер тела, если его температура повысится на 1 градус.

Если рассматривать стержень твёрдого вещества длиной 1 метр, то при повышении температуры на один градус длина стержня изменится на такое число метров, которое равно коэффициенту линейного расширения.

\(10\) км железнодорожного пути при увеличении температуры воздуха на \(9\) градусов (например, от \(-5\) до \(+4\)), удлиняются на 10 000 ⋅ 0,000012 ⋅ 9 = 1 , 08 метр. По этой причине между участками рельсов оставляют промежутки.

Термическое расширение надо учитывать и в трубопроводах, там используют компенсаторы — изогнутые трубы, которые при изменении температуры воздуха при необходимости могут сгибаться. На рисунке видно, что произойдёт, если не будет компенсатора.

Инженерам, проектирующим мосты, оборудование, здания, которые подвержены изменениям температуры, необходимо знать, какие материалы можно соединять, чтобы не образовались трещины.

Электрикам, которые протягивают линии электропередачи, необходимо знать, каким изменениям температуры будут подвержены провода. Если летом провода натянуты, то зимой они оборвутся.

При термическом расширении металлов используют автоматические выключатели тепловых приборов. Этот выключатель состоит из двух плотно соединённых пластин различных металлов (с различными термическими коэффициентами). Биметаллические пластины под воздействием температуры сгибаются или выпрямляются, замыкая или размыкая электрическую цепь.

. Биметаллические пластины состоят из двух металлов с различными коэффициентами линейного расширения. При изменении температуры длина каждой пластины изменяется по-разному, в зависимости от этого пластины выгибаются либо вверх, либо вниз.

С изменением линейных размеров изменяется также и объём тела. Изменение объёма тела описывается формулой, похожей на формулу линейного расширения, только вместо коэффициента линейного термического расширения используется коэффициент объёмного термического расширения.

Изменение объёма тела под воздействием температуры описывается формулой: V = V 0 ( 1 + β ⋅ Δ T ) , где

Коэффициент объёмного термического расширения показывает, на какую часть первоначального объёма изменится объём тела после повышения температуры на 1 градус.

Известно, что под действием тепла частицы ускоряют свое хаотичное движение. Если нагревать газ, то молекулы, составляющие его, просто разлетятся друг от друга. Нагретая жидкость сначала увеличится в объеме, а затем начнет испаряться. А что будет с твердыми телами? Не каждое из них может изменить свое агрегатное состояние.

Термическое расширение: определение

Тепловое расширение – это изменение размеров и формы тел при изменении температуры. Математически можно высчитать объемный коэффициент расширения, позволяющий спрогнозировать поведение газов и жидкостей в изменяющихся внешних условиях. Чтобы получить такие же результаты для твердых тел, необходимо учитывать коэффициент линейного расширения. Физики выделили целый раздел для такого рода исследований и назвали его дилатометрией.

Инженерам и архитекторам необходимы знания о поведении разных материалов под воздействием высоких и низких температур для проектировки зданий, прокладывания дорог и труб.

Расширение газов

Тепловое расширение газов сопровождается расширением их объема в пространстве. Это заметили философы-естественники еще в глубокой древности, но построить математические расчеты получилось только у современных физиков.

В первую очередь ученые заинтересовались расширением воздуха, так как это казалось им посильной задачей. Они настолько рьяно взялись за дело, что получили довольно противоречивые результаты. Естественно, такой исход научное сообщество не удовлетворил. Точность измерения зависела от того, какой использовался термометр, от давления и множества других условий. Некоторые физики даже пришли к мнению, что расширение газов не зависит от изменения температуры. Или эта зависимость не полная.

Работы Дальтона и Гей-Люссака

Физики продолжали бы спорить до хрипоты или забросили бы измерения, если бы не Джон Дальтон. Он и еще один физик, Гей-Люссак, в одно и то же время независимо друг от друга смогли получить одинаковые результаты измерений.

Люссак пытался найти причину такого количества разных результатов и заметил, что в некоторых приборах в момент опыта была вода. Естественно, в процессе нагревания она превращалась в пар и изменяла количество и состав исследуемых газов. Поэтому первое, что сделал ученый, – это тщательно высушил все инструменты, которые использовал для проведения эксперимента, и исключил даже минимальный процент влажности из исследуемого газа. После всех этих манипуляций первые несколько опытов оказались более достоверными.

Дальтон занимался этим вопросом дольше своего коллеги и опубликовал результаты еще в самом начале XIX века. Он высушивал воздух парами серной кислоты, а затем нагревал его. После серии опытов Джон пришел к выводу, что все газы и пар расширяются на коэффициент 0,376. У Люссака получилось число 0,375. Это и стало официальным результатом исследования.

Упругость водяных паров

Тепловое расширение газов зависит от их упругости, то есть способности возвращаться в исходный объем. Первым данный вопрос стал исследовать Циглер в середине восемнадцатого века. Но результаты его опытов слишком разнились. Более достоверные цифры получил Джеймс Уатт, который использовал для высоких температур папинов котел, а для низких – барометр.

В конце XVIII века французский физик Прони предпринял попытку вывести единую формулу, которая бы описывала упругость газов, но она получилась лишком громоздкая и сложная в использовании. Дальтон решил опытным путем проверить все расчеты, используя для этого сифонный барометр. Не смотря на то что температура не во всех опытах была одинакова, результаты получились очень точными. Поэтому он опубликовал их в виде таблицы в своем учебнике по физике.

Теория испарения

Тепловое расширение газов (как физическая теория) претерпевала различные изменения. Ученые пытались добраться до сути процессов, при которых получается пар. Здесь снова отличился известный уже нам физик Дальтон. Он высказал гипотезу, что любое пространство насыщается парами газа независимо от того, присутствует ли в этом резервуаре (помещении) какой-либо другой газ или пар. Следовательно, можно сделать вывод, что жидкость не будет испаряться, просто входя в соприкосновение с атмосферным воздухом.

Давление столба воздуха на поверхность жидкости увеличивает пространство между атомами, отрывая их друг от друга и испаряя, то есть способствует образованию пара. Но на молекулы пара продолжает действовать сила тяжести, поэтому ученые посчитали, что атмосферное давление никак не влияет на испарение жидкостей.

Расширение жидкостей

Тепловое расширение жидкостей исследовали параллельно с расширением газов. Научными изысканиями занимались те же самые ученые. Для этого они использовали термометры, аэрометры, сообщающиеся сосуды и прочие инструменты.

Все опыты вместе и каждый в отдельности опровергли теорию Дальтона о том, что однородные жидкости расширяются пропорционально квадрату температуры, на которую их нагревают. Конечно, чем выше температура, тем больше объем жидкости, но прямой зависимости между ним не было. Да и скорость расширения у всех жидкостей была разной.

Тепловое расширение воды, например, начинается с нуля градусов по Цельсию и продолжается с понижением температуры. Раньше такие результаты опытов связывали с тем, что расширяется не сама вода, а сужается емкость, в которой она находится. Но некоторое время спустя физик Делюка все-таки пришел к мысли, что причину следует искать в самой жидкости. Он решил найти температуру ее наибольшей плотности. Однако это ему не удалось ввиду пренебрежения некоторыми деталями. Румфорт, занимавшийся изучением этого явления, установил, что максимальная плотность воды наблюдается в пределах от 4 до 5 градусов по Цельсию.

Тепловое расширение тел

Закон теплового расширения тел сформулирован так: любое тело с линейным размером L в процессе нагревания на dT (дельта Т – разница между начальной температурой и конечной), расширяется на величину dL (дельта L – это производная коэффициента линейного теплового расширения на длину объекта и на разность температуры). Это самый простой вариант этого закона, который по умолчанию учитывает, что тело расширяется сразу во все стороны. Но для практической работы используют куда более громоздкие вычисления, так как в реальности материалы ведут себя не так, как смоделировано физиками и математиками.

Тепловое расширение рельса

Для прокладки железнодорожного полотна всегда привлекают инженеров-физиков, так как они могут точно вычислить, какое расстояние должно быть между стыками рельсов, чтобы при нагревании или охлаждении пути не деформировались.

Как уже было сказано выше, тепловое линейное расширение применимо для всех твердых тел. И рельс не стал исключением. Но есть одна деталь. Линейное изменение свободно происходит в том случае, если на тело не воздействует сила трения. Рельсы жестко прикреплены к шпалам и сварены с соседними рельсами, поэтому закон, который описывает изменение длинны, учитывает преодоление препятствий в виде погонных и стыковых сопротивлений.

Если рельс не может изменить свою длину, то с изменением температуры в нем нарастает тепловое напряжение, которое может как растянуть, так и сжать его. Этот феномен описывается законом Гука.

Существует три типа теплового расширения в зависимости от размера, который претерпевает изменения и который линейное расширение, пространственное расширение и объемный объем.

Что такое единица измерения теплового расширения в системе СИ?

Термическое расширение относится к частичному изменению размера материала в ответ на изменение температуры. Для большинства материалов в небольших диапазонах температур эти частичные изменения… использует SI единица измерения обратного кельвина (K − 1 или 1 / K) или эквивалентная приемлемая единица, не соответствующая системе СИ, обратная градус Цельсия (° C − 1 или 1 / ° C).

Также нужно знать, что такое класс теплового расширения 7? Тепловое расширение составляет тенденция вещества к изменению формы, площади и объема в ответ на изменение температуры. Все три состояния вещества (твердое, жидкое и газообразное) расширяются при нагревании. … Когда твердое тело нагревается, его атомы колеблются быстрее вокруг своих неподвижных точек.

Какой коэффициент расширения?

КОЭФФИЦИЕНТ ЛИНЕЙНОГО теплового расширения (CTE, a или a₁) является свойство материала, указывающее на степень расширения материала при нагревании.. … В небольших диапазонах температур тепловое расширение однородных линейных объектов пропорционально изменению температуры.

Каков принцип теплового расширения?

Большая часть вещества расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении., принцип, называемый тепловым расширением. Средняя кинетическая энергия частиц увеличивается, когда вещество нагревается, и это увеличение движения увеличивает среднее расстояние между его атомами.

Что такое единица СИ для Alpha?

Угловое ускорение измеряется в единицах угла в единицу квадрата времени (что в единицах СИ составляет радиан на секунду в квадрате), и обычно обозначается символом альфа (α).

Что такое примеры теплового расширения?

Примеры теплового расширения

Трещины на дороге, когда дорога расширяется при нагревании. Провалы в линиях электропередач. Окна с металлическим каркасом нуждаются в резиновых прокладках во избежание теплового расширения. Деформационные швы (типа стыка двух железнодорожных путей). Длина металлического стержня увеличивается при нагревании.

Что такое единица измерения теплопроводности в системе СИ?

В Международной системе единиц (СИ) теплопроводность измеряется в ватт на метр-кельвин (Вт / (м⋅K)).

Что вызывает тепловое расширение?

Тепловое расширение вызвано когда морская вода расширяется из-за более высокой температуры воды. Поскольку океаны поглощают тепло из атмосферы, когда атмосфера становится теплее, океаны тоже. … Увеличение объема приведет к повышению уровня воды в океанах.

Почему тепло вызывает расширение?

Когда материал нагревается, кинетическая энергия этого материала увеличивается, а его атомы и молекулы перемещаются дальше. Это означает, что каждый атом будет занимать больше места из-за своего движения, поэтому материал будет расширяться.

Какой материал имеет самый высокий коэффициент теплового расширения?

Твердые тела с самыми высокими коэффициентами теплового расширения - это те, которые имеют слабые межмолекулярные связи, обычно полимеры, которые также имеют низкие температуры плавления. Причина этого в том, что более слабые связи преодолеваются с меньшей колебательной энергией.

Какая жидкость нарушает принцип теплового расширения?

Важно отметить, что воды не следует правилу теплового расширения. Вода расширяется при замерзании, потому что кристаллическая структура льда занимает больше места, чем жидкая вода.

Что такое коэффициент расширения стали?

6.21. 2 Тепловое расширение

Материалы	α
Сталь: закаленная	12.4
мягкий	11
нержавеющий	10.4
Оловянирование	21

Каковы 3 применения теплового расширения?

Тепловое расширение - приложения в реальной жизни

ОХЛАЖДАЮЩАЯ ЖИДКОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ. Другой пример теплового расширения жидкости можно найти внутри радиатора автомобиля. …
ВОДЫ. …
ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ. …
ТЕРМОМЕТРЫ ОБЪЕМНОГО ГАЗА. …
КРЫШКИ БАНКОВ И ЛИНИИ ПИТАНИЯ. …
РАСШИРИТЕЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. …
РТУТЬ В ТЕРМОМЕТРАХ. …
БИМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПОЛОСА В ТЕРМОСТАТАХ.

Каковы 2 примера теплового расширения?

Тепловое расширение

Если вы когда-нибудь пытались отвинтить застрявшую крышку от стеклянной банки, вы оцените этот эффект расширения. …
Мосты имеют большой пролет, и в жаркую погоду материалы, из которых сделан мост, будут расширяться. …
Жидкость при нагревании расширяется, и ее можно заставить подниматься вверх по трубке.

Каковы преимущества теплового расширения?

Преимущества теплового расширительного клапана

Регулируемый поток хладагента. …
Поддерживает работу испарителя и его оптимальную производительность. …
Более высокая энергоэффективность. …
Устраняет риск поломки компрессора. …
Справляется с изменением заправки хладагента. …
Лучший контроль температуры.

СИ - это единица измерения?

Международная система единиц (SI, сокращенно от французского Système international (d'unités)) - это современная форма метрической системы. Это единственная система измерения, имеющая официальный статус почти во всех странах мира. … Двадцать две производные единицы снабжены специальными названиями и символами.

Что такое полная форма CGS?

Таблица D.1. сантиметр-грамм-секунды (CGS) и системы единиц метр-килограмм-секунда (СИ).

Что такое единица СИ мобильности?

Единица измерения скорости в системе СИ - м / с, а единица измерения электрического поля в системе СИ - В / м. Следовательно, единицей мобильности в системе СИ является (м / с) / (В / м) = м 2 / (V⋅s).

Что такое единица измерения мощности в системе СИ?

Единица мощности СИ - ватт (Вт), в честь шотландского изобретателя Джеймса Ватта (1736-1819). … Один ватт равен одному джоулю в секунду (Вт = Дж / с).

Какой материал имеет самую высокую теплопроводность?

Алмазные является ведущим теплопроводным материалом и имеет измеренные значения проводимости в 5 раз выше, чем у меди, наиболее производимого металла в Соединенных Штатах. Атомы алмаза состоят из простой углеродной основы, которая представляет собой идеальную молекулярную структуру для эффективной теплопередачи.

Может ли тепловое расширение остановить время?

течение времени в термодинамике - это увеличение энтропии. энтропия - теплопередача на абсолютную температуру. когда Вселенная достигает теплового равновесия, теплопередача уменьшается. Следовательно, нет энтропии и, следовательно, нет времени.

Как предотвратить тепловое расширение?

Один из подходов - ограничить нагрузку на трубопровод и, таким образом, устраняется необходимость в усиленных фланцах оборудования и т. д. Специальные опоры для труб могут предотвратить передачу напряжения на оборудование. Материалы с более низким коэффициентом теплового расширения (α) меньше растут при нагревании.

тепловое расширение является увеличением или изменением различных метрических размеров (таких как длина или объем), которым подвергается тело или физический объект. Этот процесс происходит из-за повышения температуры, окружающей материал. В случае линейного расширения такие изменения происходят в одном измерении.

Что касается твердых тел, коэффициент линейного расширения используется для описания его расширения. С другой стороны, объемный коэффициент расширения используется для жидкостей для выполнения расчетов.

В случае кристаллизованного твердого вещества, если оно изометрическое, расширение будет общим для всех размеров кристалла. Если он не изометрический, вдоль кристалла могут быть найдены разные коэффициенты расширения, и он изменит свой размер при изменении температуры..

1 Коэффициент теплового расширения
2 Отрицательное тепловое расширение
3 типа
- 3.1 Линейное расширение
- 3.2 Объемная дилатация
- 3.3 Поверхность или площадь расширения
- 4.1 Первое упражнение (линейное расширение)
- 4.2 Второе упражнение (поверхностное расширение)
Коэффициент теплового расширения

Коэффициент теплового расширения (Y) определяется как радиус изменения, через который материал прошел из-за изменения его температуры. Этот коэффициент представлен символом α для твердых веществ и β для жидкостей и определяется Международной системой единиц.

Коэффициенты теплового расширения варьируются, когда речь идет о твердом теле, жидкости или газе. У каждого своя особенность.

Например, расширение тела может быть видно по длине. Объемный коэффициент является одним из самых основных в отношении жидкостей, и изменения являются значительными во всех направлениях; этот коэффициент также используется при расчете расширения газа.

Отрицательное тепловое расширение

Отрицательное тепловое расширение возникает в некоторых материалах, которые вместо увеличения их размера при высоких температурах сжимаются из-за низких температур.

Этот тип теплового расширения обычно наблюдается в открытых системах, где наблюдаются направленные взаимодействия - как в случае льда - или в сложных соединениях - как в случае некоторых цеолитов, Cu2O, среди других..

Кроме того, некоторые исследования показали, что отрицательное тепловое расширение также происходит в однокомпонентных решетках в компактной форме и с взаимодействием центральной силы..

Яркий пример отрицательного теплового расширения можно увидеть при добавлении льда в стакан воды. В этом случае высокая температура жидкости на льду не вызывает какого-либо увеличения размера, а скорее уменьшает размер того же самого.

тип

При расчете расширения физического объекта необходимо учитывать, что в зависимости от изменения температуры указанный объект может увеличиваться или уменьшаться в размере..

Некоторые объекты не требуют резкого изменения температуры, чтобы изменить их размер, поэтому вполне вероятно, что значение, полученное в результате расчетов, является средним.

Как и все процессы, тепловое расширение делится на несколько типов, которые объясняют каждое явление в отдельности. В случае твердых веществ типами теплового расширения являются линейное расширение, объемное расширение и поверхностное расширение.

Линейная дилатация

В линейной дилатации преобладает один вариант. В этом случае единственной единицей, которая подвергается изменению, является высота или ширина объекта..

Простой способ рассчитать этот тип расширения - это сравнить значение количества до изменения температуры со значением количества после изменения температуры..

Объемная дилатация

В случае объемного расширения способ его расчета заключается в сравнении объема жидкости до изменения температуры с объемом жидкости после изменения температуры. Формула для расчета:

Поверхностная или площадь дилатации

В случае поверхностного расширения увеличение площади тела или объекта наблюдается при изменении его температуры на 1 ° C..

Это расширение работает для твердых веществ. Если у вас также есть линейный коэффициент, вы можете видеть, что размер объекта будет в два раза больше. Формула для расчета:

В этом выражении:

γ = коэффициент расширения площади [° C -1 ]

₀ = Начальная площадь

_F = Конечная зона

T₀ = Начальная температура.

T_F = Конечная температура

Разница между расширением области и линейным расширением заключается в том, что в первом случае происходит изменение увеличения площади объекта, а во втором - изменение одной единицы измерения (как это может быть длина или ширина физического объекта).

примеров

Первое упражнение (линейная дилатация)

Рельсы, которые составляют путь поезда, построенного из стали, имеют длину 1500 м. Какой будет длина в то время, когда температура поднимется от 24 до 45 ° C??

решение

L0 (начальная длина) = 1500 м

То (начальная температура) = 24 ° C

T_F (конечная температура) = 45 ° C

α (линейный коэффициент расширения, соответствующий стали) = 11 х 10 -6 ° С -1

Данные заменяются по следующей формуле:

Однако сначала мы должны знать значение разности температур, чтобы включить эти данные в уравнение. Чтобы получить этот дифференциал, вы должны вычесть самую высокую температуру из самой низкой.

Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C

Как только эта информация станет известна, можно использовать предыдущую формулу:

Lf = 1500 м (1 + 21 ° C. 11 x 10) -6 ° С -1 )

Lf = 1500 м (1 + 2,31 х 10 -4 )

Lf = 1500 м (1000231)

Второе упражнение (поверхностное расширение)

В средней школе продажа стекла имеет площадь 1,4 м ^ 2, если температура составляет 21 ° C. Какой будет ваша последняя область при повышении температуры до 35 ° C?

решение

Af = A0 [1 + (Tf - T0)]

Аф = 1,4 м 2 [1] 204,4 х 10 -6 ]

Аф = 1,4 м 2 . 1.0002044

Af = 140028616 м 2

Почему происходит расширение?

Все знают, что весь материал состоит из различных субатомных частиц. Изменяя температуру, повышая или понижая, эти атомы начинают процесс движения, который может изменить форму объекта.

Когда температура повышается, молекулы начинают быстро двигаться из-за увеличения кинетической энергии, и, следовательно, форма или объем объекта будут увеличиваться.

В случае отрицательных температур происходит обратное, в этом случае объем объекта обычно сокращается из-за низких температур..

Читайте также: