Συντελεστής Γραμμικής Διαστολής

Η αλλαγή του μήκους κατά μήκος μιας διάστασης σε σχέση με τον όγκο αναφέρεται ως γραμμική επέκταση. Η αύξηση της θερμοκρασίας μιας ουσίας προκαλεί αυτό το φαινόμενο. Σε αυτήν την ανάρτηση, θα εξετάσουμε τον συντελεστή γραμμικής επέκτασης, πώς λειτουργεί και πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί.

Συντελεστής Γραμμικής επέκτασης

Ο όρος "επέκταση" μπορεί να περιγραφεί ως επιμήκυνση ή τροποποίηση. Γραμμική επέκταση είναι ο όρος που χρησιμοποιείται όταν συμβαίνει μια αλλαγή στο μήκος κατά μήκος μιας διάστασης ενός όγκου. Η αλλαγή θερμοκρασίας είναι η αιτία της διαστολής αυτή τη στιγμή. Ως αποτέλεσμα, πιστεύεται ότι ο ρυθμός διαστολής θα αναπαραχθεί καθώς αλλάζει η θερμοκρασία. Ο όρος χρησιμοποιείται για να περιγράψει πόσο καιρό μια ουσία μπορεί να αντέξει τη θερμική ακτινοβολία διατηρώντας το αρχικό της σχήμα και μέγεθος.

Η κλασματική αύξηση του μήκους ανά μονάδα αύξησης της θερμοκρασίας είναι ένας άλλος τρόπος για τον καθορισμό του συντελεστή θερμικής διαστολής. Ανάλογα με το αν καθορίζεται σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία (πραγματικός συντελεστής θερμικής διαστολής ή a-bar) ή σε ένα εύρος θερμοκρασίας, η ακριβής σημασία διαφέρει (μέσος συντελεστής θερμικής διαστολής ή α). Η κλίση της εφαπτομένης του μήκους έναντι της θερμοκρασίας καθορίζει τον πραγματικό συντελεστή, ενώ η κλίση της χορδής μεταξύ δύο σημείων της καμπύλης καθορίζει τον μέσο συντελεστή.

Τύπος συντελεστή γραμμικής επέκτασης

Ο τύπος για τη γραμμική επέκταση, σύμφωνα με τον ορισμό, είναι ο ακόλουθος:

L=∆L∆T

Εδώ,

Ο συντελεστής γραμμικής διαστολής συμβολίζεται με το γράμμα L.

ΔL υποδηλώνει μια αλλαγή στο μήκος μιας μονάδας.

Η αλλαγή της μονάδας στη θερμοκρασία συμβολίζεται με ΔT .

Μονάδα SI και Διάσταση Γραμμικής Επέκτασης

Οι

°C-1 ή °K-1 είναι οι μονάδες SI για τον συντελεστή γραμμικής διαστολής. Τα σύμβολα C και K αντιπροσωπεύουν Κελσίου και Κέλβιν, αντίστοιχα.

M0L0T0K-1 θα είναι η διάσταση του συντελεστή γραμμικής επέκτασης.

Εργασία γραμμικής επέκτασης

Ο γραμμικός συντελεστής διαστολής κάθε υλικού είναι ένα θεμελιώδες χαρακτηριστικό. Τώρα διαφέρει από τη μια ουσία στην άλλη. Μόνο η συνεκτική δύναμη μεταξύ των ατόμων καθορίζει τον ρυθμό με τον οποίο ένα υλικό μπορεί να διασταλεί. Η δύναμη που συγκρατεί δύο ή περισσότερα άτομα μαζί είναι γνωστή ως δύναμη συνοχής.

Η συνεκτική δύναμη είναι υπεύθυνη για το κλείσιμο του κενού μεταξύ των ατόμων. Για μια δεδομένη αύξηση της θερμοκρασίας, όσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη συνοχής, τόσο μικρότερη είναι η διαστολή. Ο μόλυβδος είναι ένα μαλακό μέταλλο με χαμηλό σημείο τήξης που μπορεί να συνθλιβεί εύκολα. Με μια μονάδα αύξησης της θερμοκρασίας, ο μόλυβδος διαστέλλεται πιο γρήγορα όταν θερμαίνεται.

Τρόπος μέτρησης του συντελεστή θερμικής διαστολής

Δύο φυσικά χαρακτηριστικά (μετατόπιση και θερμοκρασία) πρέπει να παρακολουθούνται σε ένα δείγμα που βρίσκεται σε θερμικό κύκλο προκειμένου να προσδιοριστεί ο συντελεστής θερμικής διαστολής. Η διαλατομετρία, η συμβολομετρία και η θερμομηχανική ανάλυση είναι τρεις από τις πιο κοινές μεθόδους μέτρησης CTE. Η οπτική απεικόνιση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε ψυχρά περιβάλλοντα. Οι αλλαγές στην παράμετρο του πλέγματος μπορούν να μελετηθούν χρησιμοποιώντας περίθλαση ακτίνων Χ, ωστόσο αυτό μπορεί να μην ισοδυναμεί με μαζική θερμική διαστολή.
Διλατομετρία

Η μηχανική διαλατομετρία είναι μια συχνά χρησιμοποιούμενη τεχνική. Ένα δείγμα θερμαίνεται σε έναν κλίβανο και η μετατόπιση των άκρων του δείγματος μεταφέρεται σε έναν αισθητήρα μέσω ράβδων ώθησης σε αυτήν την προσέγγιση. Η δοκιμή έχει χαμηλότερη ακρίβεια από τη συμβολομετρία και είναι γενικά κατάλληλη για υλικά με CTE μεγαλύτερη από (510 έως 6)/k σε ένα εύρος θερμοκρασιών από -120 έως 600℃. Το υαλώδες πυρίτιο, η αλουμίνα υψηλής καθαρότητας και ο ισότροπος γραφίτης είναι όλα παραδείγματα ράβδων ώθησης.

Συμβολομετρία

Η μετατόπιση των άκρων του δείγματος αξιολογείται ως προς τον αριθμό των μονοχρωματικών μηκών κυμάτων φωτός χρησιμοποιώντας τεχνικές οπτικής παρεμβολής. Η ακρίβεια είναι πολύ ανώτερη από αυτή της θερμομηχανικής διαλατομετρίας.

Θερμομηχανική ανάλυση

Για την πραγματοποίηση παρατηρήσεων χρησιμοποιείται θερμομηχανικός αναλυτής. Αποτελείται από ένα δοχείο δείγματος και έναν ανιχνευτή που μεταφέρει τις αλλαγές στο μήκος σε έναν μορφοτροπέα, ο οποίος μετατρέπει τις κινήσεις του ανιχνευτή σε ηλεκτρικό σήμα. Στη συσκευή περιλαμβάνονται επίσης φούρνος για ομοιόμορφη θέρμανση, στοιχείο ανίχνευσης θερμοκρασίας, δαγκάνες και μέσο καταγραφής αποτελεσμάτων. Η τυπική τεχνική δοκιμής για γραμμική θερμική διαστολή στερεών υλικών με θερμομηχανική αξιολόγηση είναι η μέθοδος δοκιμής ASTM E831. Με αυτήν την προσέγγιση, το κατώτερο όριο για το CTE είναι (510 έως 6)/k, ωστόσο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε χαμηλότερα ή αρνητικά επίπεδα επέκτασης με μειωμένη ακρίβεια και ακρίβεια. Το εύρος θερμοκρασίας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί είναι -120 έως 600℃, αλλά μπορεί να επεκταθεί με βάση τη συσκευή και τα υλικά βαθμονόμησης που χρησιμοποιούνται.

Εφαρμογές του συντελεστή γραμμικής επέκτασης

Ο αντίκτυπος των επιστημονικών και τεχνολογικών εξελίξεων είναι σημαντικός. Για να συμβαδίσει με τον γρήγορο ρυθμό της εκβιομηχάνισης και της κατασκευής, πρέπει να είναι σίγουρος για την εφαρμογή της παλέτας υλικών. Από την κατασκευή ενός σπιτιού μέχρι την εκτόξευση ενός διαστημικού σκάφους, τα υλικά που χρησιμοποιούνται χρησιμεύουν ως η ραχοκοκαλιά του τελικού προϊόντος.

Μια μεγάλη γκάμα υλικών είναι εύκολα διαθέσιμη παντού γύρω μας. Όλα έχουν διαφορετικά θερμικά χαρακτηριστικά. Η ικανότητα πολλών υλικών να διαστέλλονται ως απόκριση στις αυξήσεις της θερμοκρασίας πρέπει να συγκριθεί προκειμένου να χρησιμοποιηθούν σε κατάλληλα μέρη. Τυπικά, το υλικό με μεγαλύτερο γραμμικό συντελεστή διαστολής είναι πιο ανθεκτικό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην κατασκευή στιβαρών κατασκευών. Με την ανάμειξη των στοιχείων, αυτή η ιδιότητα μπορεί να βελτιωθεί ακόμη περισσότερο για να ικανοποιήσει την επιθυμητή ανάγκη.

Ως αποτέλεσμα, τα κράματα μετάλλων γίνονται εξαιρετικά διαδεδομένα. Ο συντελεστής γραμμικής διαστολής χρησιμοποιείται με διάφορους τρόπους, όπως:

Το καπάκι ενός σφιχτού μπουκαλιού μπορεί να ανοίξει βουτώντας το σε ζεστό νερό.

Χρησιμοποιώντας ένα θερμόμετρο για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας.

• Θερμοστάτες
• Κατασκευή συμπαγών κατασκευών
• Καθηλωτική
• Συντελεστής εξίσωσης γραμμικής επέκτασης

Ο συντελεστής της εξίσωσης γραμμικής επέκτασης δίνεται ως εξής:

∆L=αL∆T

όπου ∆L είναι η αλλαγή μήκους, T είναι η αλλαγή θερμοκρασίας και είναι ο γραμμικός συντελεστής διαστολής, ο οποίος ποικίλλει κάπως ανάλογα με τη θερμοκρασία.

Συμπέρασμα

Η φράση "επέκταση" αναφέρεται σε επιμήκυνση ή τροποποίηση. Κάθε φορά που συμβαίνει μια αλλαγή στο μήκος κατά μήκος μιας διάστασης ενός όγκου, αναφέρεται ως γραμμική διαστολή. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η διαστολή οφείλεται σε αλλαγή θερμοκρασίας. Κατά συνέπεια, ο ρυθμός διαστολής αναμένεται να επαναληφθεί καθώς η θερμοκρασία ποικίλλει. Η φράση αναφέρεται στην ικανότητα μιας ουσίας να αντέχει τη θερμική ακτινοβολία διατηρώντας παράλληλα το αρχικό της σχήμα και μέγεθος.

Ο συντελεστής της εξίσωσης γραμμικής επέκτασης δίνεται ως εξής:

∆L=αL∆T