Тепловое расширение | Encyclopedia.com

КОНЦЕПЦИЯ

Большинство материалов подвержены тепловому расширению: тенденция расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. По этой причине мосты строятся с металлическими компенсаторами, чтобы они могли расширяться и сжиматься, не вызывая дефектов в общей конструкции моста. Другие машины и конструкции также имеют встроенную защиту от опасностей теплового расширения. Но тепловое расширение также может быть полезным, делая возможным работу термометров и термостатов.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Энергия молекулярного поступательного движения

В научных терминах тепло — это внутренняя энергия, которая течет от системы с относительно высокой температурой к системе с относительно низкой температурой. Сама внутренняя энергия, определяемая как тепловая энергия, — это то, что люди обычно имеют в виду, когда говорят «тепло». Тепловая энергия, форма кинетической энергии, обусловленная движением молекул, иногда называется молекулярной поступательной энергией.

Температура определяется как мера средней энергии поступательного движения молекул в системе, и, как мы увидим, чем больше изменение температуры для большинства материалов, тем больше величина теплового расширения. Таким образом, все эти аспекты «тепла» — само тепло (в научном смысле), а также тепловая энергия, температура и тепловое расширение — в конечном итоге зависят от движения молекул относительно друг друга.

МОЛЕКУЛЯРНОЕ ДВИЖЕНИЕ И НЬЮТОНОВСКАЯ ФИЗИКА.

В целом кинетическая энергия, создаваемая молекулярным движением, может быть понята в рамках классической физики, то есть парадигмы, связанной с сэром Исааком Ньютоном (1642–1727) и его законами движения. Ньютон был первым, кто понял физическую силу, известную как гравитация, и объяснил поведение объектов в контексте гравитационной силы. Среди понятий, необходимых для понимания ньютоновской физики, — масса объекта, скорость его движения (будь то скорость или ускорение) и расстояние между объектами. Все они, в свою очередь, являются центральными компонентами для понимания того, как молекулы при относительном движении генерируют тепловую энергию.

Чем больше импульс объекта, то есть произведение его массы на его скорость, тем большее воздействие он оказывает на другой объект, с которым сталкивается. Тем больше его кинетическая энергия, равная половине его массы, умноженной на квадрат его скорости. Масса молекулы, конечно, очень мала, но если все молекулы внутри объекта находятся в относительном движении — многие из них сталкиваются и, таким образом, передают кинетическую энергию, — это должно приводить к относительно большому количеству теплового излучения. энергии со стороны более крупного объекта.

МОЛЕКУЛЯРНОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ И ФАЗЫ МАТЕРИИ.

Тем не менее, именно из-за того, что молекулярная масса настолько мала, гравитационная сила сама по себе не может объяснить притяжение между молекулами. Вместо этого это притяжение следует понимать с точки зрения второго типа силы — электромагнетизма, — открытого шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831–1879). Детали электромагнитной силы не важно здесь; необходимо только знать, что все молекулы обладают некоторой составляющей электрического заряда. Поскольку одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные притягиваются, между молекулами существует постоянное электромагнитное взаимодействие, что приводит к различной степени притяжения.

Чем больше относительное движение между молекулами, вообще говоря, тем меньше их притяжение друг к другу. Действительно, эти два аспекта материала — относительное притяжение и движение на молекулярном уровне — определяют, можно ли классифицировать этот материал как твердое, жидкое или газообразное. Когда молекулы медленно движутся по отношению друг к другу, они оказывают сильное притяжение, и материал, частью которого они являются, обычно классифицируется как твердое тело. Молекулы жидкости, с другой стороны, движутся с умеренными скоростями и, следовательно, оказывают умеренное притяжение. Когда молекулы движутся с высокой скоростью, они практически не притягиваются, и этот материал известен как газ.

Прогнозирование теплового расширения

КОЭФФИЦИЕНТ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ.

Коэффициент — это число, которое служит мерой некоторой характеристики или свойства. Это также может быть фактором, на который умножаются другие значения для получения желаемого результата. Для любого материала можно рассчитать степень, в которой этот материал будет расширяться или сжиматься при изменении температуры. В общих чертах это известно как его коэффициент расширения, хотя на самом деле существует две разновидности коэффициента расширения.

Коэффициент линейного расширения – это константа, определяющая степень изменения длины твердого тела в результате изменения температуры Для любого данного вещества коэффициент линейного расширения обычно представляет собой число, выраженное в единицах 10 ^-5 /°С. Другими словами, значение коэффициента линейного расширения конкретного твердого тела умножается на 0,00001 на °C. (°C в знаменателе, показанном в приведенном ниже уравнении, просто «выпадает», когда коэффициент линейного расширения умножается на изменение температуры. )

Для кварца коэффициент линейного расширения равен 0,05. Напротив, железо с коэффициентом 1,2 в 24 раза чаще расширяется или сжимается в результате изменений температуры. (Сталь имеет ту же ценность, что и железо.) Коэффициент для алюминия равен 2,4, что в два раза больше, чем для железа или стали. Это означает, что одинаковое изменение температуры приведет к вдвое большему изменению длины алюминиевого стержня, чем железного стержня. Свинец является одним из самых дорогих твердых материалов с коэффициентом 3,0.

РАСЧЕТ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ.

Линейное расширение данного твердое можно рассчитать по формуле δ L = aL _O Δ T. Греческая буква дельта (d) означает «изменение»; следовательно, первая цифра представляет собой изменение длины, а последняя цифра в уравнении — изменение температуры. Буквы а – коэффициент линейного расширения, а L _O – исходная длина.

Предположим, что свинцовый стержень длиной 5 метров подвергается изменению температуры на 10°C; как изменится его длина? Чтобы ответить на этот вопрос, a (3,0 · 10 ⁻⁵ /°C) нужно умножить на L _O (5 м) и δ T (10°C). Ответ должен быть 150 & 10

−5 м, или 1,5 мм. Обратите внимание, что это просто изменение длины, связанное с изменением температуры: при повышении температуры длина увеличивается, а при понижении температуры на 10°С длина уменьшается на 1,5 мм.

РАСШИРЕНИЕ ОБЪЕМА.

Очевидно, что линейные уравнения применимы только к твердым телам. Жидкости и газы, классифицируемые вместе как жидкости, соответствуют форме своего сосуда; следовательно, «длина» любого данного образца жидкости такая же, как у твердого тела, которое его содержит. Однако жидкости подвержены объемному расширению, то есть изменению объема в результате изменения температуры.

Для расчета изменения объема используется та же формула, что и для изменения длины; отличаются лишь некоторые детали. В формуле δ V = bV _O δ T , последний член, опять же, означает изменение температуры, тогда как δ V означает изменение объема, а V _O — первоначальный объем. Буква b относится к коэффициенту объемного расширения. Последнее выражается в единицах 10 ^-4 /°C, или 0,0001 на °C.

Стекло имеет очень низкий коэффициент объемного расширения, 0,2, а у стекла Pyrex чрезвычайно низкий – всего 0,09. По этой причине изделия из пирекса идеально подходят для приготовления пищи. Значительно выше коэффициент объемного расширения глицерина, маслянистого вещества, связанного с мылом, которое пропорционально увеличивается в 5,1 раза. Еще выше этиловый спирт с коэффициентом объемного расширения 7,5.

ПРИМЕНЕНИЕ В РЕАЛЬНОЙ ЖИЗНИ

Жидкости

Большинство жидкостей следуют довольно предсказуемой схеме постепенного увеличения объема в ответ на повышение температуры и уменьшения объема в ответ на снижение температуры. Действительно, коэффициент объемного расширения жидкости, как правило, выше, чем твердого тела, и — за одним заметным исключением, обсуждаемым ниже — жидкость будет сжиматься при замерзании.

Поведение бензина, перекачиваемого в жаркий день, представляет собой пример теплового расширения жидкости в ответ на повышение температуры. Когда он поступает из своего подземного бака на заправке, бензин относительно прохладный, но он согреется, сидя в баке уже теплой машины. Если бак автомобиля заполнен, а транспортное средство оставлено стоять на солнце — другими словами, если автомобиль не едет после того, как бак заполнен, — бензин вполне может расширяться в объеме быстрее, чем топливный бак, вытекая на тротуар. .

ОХЛАЖДАЮЩАЯ ЖИДКОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ.

Другой пример теплового расширения со стороны жидкости можно найти внутри радиатора автомобиля. Если в холодный день радиатор «доливается» охлаждающей жидкостью, повышение температуры вполне может привести к тому, что охлаждающая жидкость расширится до тех пор, пока не переполнится. В прошлом это создавало проблему для автовладельцев, поскольку двигатели автомобилей выбрасывали на землю лишний объем охлаждающей жидкости, что требовало периодической замены жидкости.

Автомобили более поздних моделей, однако, имеют переливной резервуар для сбора жидкости, выделяющейся в результате расширения объема. По мере того, как двигатель снова остывает, емкость возвращает лишнюю жидкость в радиатор, тем самым «перерабатывая» ее. Это означает, что новые автомобили гораздо менее склонны к перегреву, чем старые автомобили. В сочетании с улучшениями в смесях жидкостей радиатора, которые действуют как антифриз в холодную погоду и охлаждающую жидкость в жару, процесс «рециркуляции» привел к значительному снижению поломок, связанных с тепловым расширением.

ВОДА.

Одной из веских причин не использовать чистую воду в радиаторе является то, что вода имеет гораздо более высокий коэффициент объемного расширения, чем обычная охлаждающая жидкость двигателя. Это может быть особенно опасно в холодную погоду, потому что замерзшая вода в радиаторе может расшириться настолько, что может привести к растрескиванию блока цилиндров.

В общем, вода, коэффициент объемного расширения которой в жидком состоянии составляет 2,1, а в твердом состоянии 0,5, проявляет ряд интересных характеристик в отношении теплового расширения. Если температура кипения воды снижается с 212°F (100°C) до 390,2°F (4°C) будет неуклонно сокращаются, как и любое другое вещество, реагирующее на понижение температуры. Однако обычно вещество продолжает уплотняться по мере того, как оно превращается из жидкого в твердое; но с водой этого не происходит.

При температуре 32,9°F вода достигает максимальной плотности, а это означает, что ее объем на данную единицу массы минимален. Ниже этой температуры он «должен» (если бы он был похож на большинство типов материи) продолжать уменьшаться в объеме на единицу массы, но на самом деле он неуклонно начинает расширяться. Таким образом, он менее плотный, с большим объемом на единицу массы, когда достигает точки замерзания. Именно по этой причине, когда зимой трубы замерзают, они часто лопаются, что объясняет, почему заполненный водой радиатор может стать серьезной проблемой в очень холодную погоду.

Кроме того, это необычное поведение в отношении теплового расширения и сжатия объясняет, почему лед плавает: твердая вода менее плотна, чем жидкая вода под ней.

В результате замерзшая вода зимой остается на поверхности озера; поскольку лед является плохим проводником тепла, энергия не может выйти из воды под ним в количестве, достаточном для замерзания остальной воды озера. Таким образом, вода подо льдом остается жидкой, сохраняя жизнь растений и животных.

Газы

ЗАКОНЫ О ГАЗАХ.

Как уже говорилось, жидкости расширяются в большей степени, чем твердые тела. Учитывая увеличение молекулярной кинетической энергии жидкости по сравнению с твердым телом и газа по сравнению с жидкостью, неудивительно, что газы реагируют на изменения температуры еще большим изменением объема. чем у жидкостей. Конечно, когда речь идет о газе, «объем» измерить труднее, потому что газ просто расширяется, чтобы заполнить свой сосуд. Чтобы термин имел какое-либо значение, необходимо также указать давление и температуру.

Ряд газовых законов описывает три параметра газов: объем, температуру и давление. Закон Бойля, например, гласит, что в условиях постоянной температуры существует обратная зависимость между объемом и давлением газа: чем больше давление, тем меньше объем, и наоборот. Еще более актуальным для темы теплового расширения является закон Шарля.

Закон Шарля гласит, что при постоянном давлении существует прямая зависимость между объемом и температурой. При нагревании газа его объем увеличивается, а при охлаждении соответственно уменьшается. Таким образом, если наполнить надувной матрас в кондиционируемом помещении, а затем взять его на пляж в жаркий день, воздух внутри расширится. В зависимости от того, насколько увеличивается его объем, расширение горячего воздуха может привести к тому, что матрас «лопнет».

ОБЪЕМНЫЕ ГАЗОВЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ.

В то время как жидкости и твердые тела значительно различаются по своим коэффициентам расширения, большинство газов имеют более или менее одинаковый характер расширения в ответ на повышение температуры. Предсказуемое поведение газов в этих ситуациях привело к разработке постоянного газового термометра, очень надежного прибора, по которому часто измеряют другие термометры, в том числе содержащие ртуть (см. Ниже).

В объемном газовом термометре пустой контейнер прикреплен к стеклянной трубке, содержащей ртуть. Когда газ высвобождается в пустой контейнер, это заставляет столбик ртути двигаться вверх. Разница между прежним положением ртути и ее положением после введения газа показывает разницу между нормальным атмосферным давлением и давлением газа в сосуде. Тогда можно использовать изменения объема газа как меру температуры. Реакция большинства газов в условиях низкого давления на изменение температуры настолько однородна, что объемные газовые термометры часто используются для калибровки других типов термометров.

Твердые тела

Многие твердые тела состоят из кристаллов правильной формы, состоящих из молекул, соединенных друг с другом, как на пружинах. Пружина, которая оттягивается назад непосредственно перед тем, как ее отпустить, является примером потенциальной энергии, или энергии, которой объект обладает в силу своего положения. Для кристаллического твердого тела при комнатной температуре потенциальная энергия и расстояние между молекулами относительно малы. Но по мере повышения температуры и расширения твердого тела пространство между молекулами увеличивается, как и потенциальная энергия в твердом теле.

На самом деле реакции твердых тел на изменения температуры имеют тенденцию быть более резкими, по крайней мере, когда они наблюдаются в повседневной жизни, чем поведение жидкостей или газов в условиях тепловое расширение. Конечно, твердые тела меньше реагируют на изменения температуры, чем жидкости; но поскольку они являются твердыми телами, люди ожидают, что их контуры будут неподвижны. Таким образом, когда объем твердого тела изменяется в результате увеличения тепловой энергии, результат более примечательный.

КРЫШКИ ДЛЯ БАНОК И ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ.

Повседневный пример теплового расширения можно увидеть на кухне. Почти у каждого был опыт безуспешных попыток сдвинуть с места тугую металлическую крышку стеклянного сосуда, и после обливания горячей водой крышка обнаруживала, что она поддается и наконец открывается. Причина этого в том, что высокая температура воды вызывает расширение металлической крышки. С другой стороны, стекло, как отмечалось ранее, имеет низкий коэффициент расширения. В противном случае он расширился бы вместе с крышкой, что лишило бы смысла пропускать через него горячую воду. Если бы стеклянные банки имели высокий коэффициент расширения, они деформировались бы при воздействии относительно низких уровней тепла.

Другим примером теплового расширения в твердом теле является провисание линий электропередач в жаркий день. Это происходит потому, что тепло заставляет их расширяться, и, таким образом, длина линии электропередачи от полюса к полюсу больше, чем в условиях более низких температур. Крайне маловероятно, конечно, что летняя жара может быть настолько сильной, чтобы создать опасность обрыва линий электропередач; с другой стороны, тепло может создать серьезную угрозу для более крупных конструкций.

КОМПЕНСАТОРЫ.

Большинство больших мостовидных протезов имеют компенсационные швы, которые выглядят скорее как две металлические гребенки, обращенные друг к другу с зацепленными зубьями. Когда тепло заставляет мост расширяться в солнечные часы жаркого дня, две стороны компенсационного шва движутся навстречу друг другу; затем, по мере остывания моста после наступления темноты, они начинают постепенно втягиваться. Таким образом, мост имеет встроенную зону безопасности; в противном случае у него не было бы места для расширения или сжатия в ответ на изменения температуры. Что касается использования гребенчатой ​​формы, то зазор между двумя сторонами компенсатора смещается в шахматном порядке, что сводит к минимуму неровности, с которыми сталкиваются автомобилисты, когда они проезжают по нему.

Компенсаторы другой конструкции также можно найти на автомагистралях и на «магистралях» железных дорог. Термическое расширение представляет собой особенно серьезную проблему для железнодорожных путей, поскольку рельсы, по которым движутся поезда, сделаны из стали. Сталь, как отмечалось ранее, расширяется в 12 частей на 1 миллион при изменении температуры на каждый градус Цельсия, и хотя это может показаться незначительным, в условиях высокой температуры это может создать серьезную проблему.

Большинство гусениц изготавливаются из стальных листов, поддерживаемых деревянными шпалами, и укладываются с зазором между концами. Этот зазор обеспечивает буфер для теплового расширения, но есть еще один момент, который следует учитывать: гусеницы прикручены болтами к деревянным шпалам, и если сталь слишком сильно расширится, она может вырвать эти болты. Следовательно, вместо того, чтобы помещаться в отверстие того же размера, что и болт, болты вставляются в пазы, так что остается место для медленного скольжения гусеницы на месте при повышении температуры.

Такое расположение подходит для поездов, которые движутся с обычной скоростью: их колеса просто издают шум, когда они проходят через промежутки, ширина которых редко превышает 0,5 дюйма (0,013 м). Однако высокоскоростной поезд не может двигаться по неровным путям; поэтому пути для скоростных поездов прокладывают в условиях относительно высокого натяжения. Гидравлическое оборудование используется для натяжения секций пути; затем, как только гусеница закреплена на месте вдоль шпал, натяжение распределяется по всей длине гусеницы.

Термометры и термостаты

РТУТЬ В ТЕРМОМЕТРАХ.

Термометр измеряет температуру путем измерения свойства, зависящего от температуры. Термостат, напротив, представляет собой устройство для регулировки температуры системы отопления или охлаждения. Оба используют принцип теплового расширения в своей работе. Как было отмечено выше в примере с металлической крышкой и стеклянной банкой, стекло мало расширяется при изменении температуры; следовательно, он является идеальным контейнером для ртути в термометре. Что касается ртути, то она является идеальной термометрической средой, то есть материалом, используемым для измерения температуры, по нескольким причинам. Среди них высокая температура кипения и очень предсказуемая однородная реакция на изменения температуры.

В обычном ртутном термометре ртуть помещена в длинную узкую герметичную трубку, называемую капилляром. Поскольку ртуть расширяется гораздо быстрее, чем стеклянный капилляр, она поднимается и опускается в зависимости от температуры. Калибровка термометра производится путем измерения разницы высоты ртутного столба при температуре замерзания воды и ртутного столба при температуре кипения воды. Интервал между этими двумя точками затем делится на равные приращения в соответствии с одной из известных температурных шкал.

БИМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПОЛОСА В ТЕРМОСТАТАХ.

В термостате центральным компонентом является биметаллическая полоса, состоящая из тонких полосок из двух разных металлов, расположенных спиной к спине. Один из этих металлов имеет высокий коэффициент линейного расширения, а другой металл имеет низкий коэффициент. Повышение температуры приведет к тому, что сторона с более высоким коэффициентом расширится больше, чем сторона, которая менее чувствительна к изменениям температуры. В результате биметаллическая полоса будет прогибаться в одну сторону.

Когда полоска согнется достаточно далеко, она замкнет электрическую цепь и, таким образом, запустит кондиционер. Регулируя термостат, можно изменить расстояние, на которое должна быть изогнута биметаллическая полоса, чтобы замкнуть цепь. Как только воздух в помещении достигнет нужной температуры, высококоэффициентный металл начнет сжиматься, а биметаллическая полоса выпрямится. Это приведет к размыканию электрической цепи и отключению кондиционера.

В холодную погоду, когда система контроля температуры направлена ​​на обогрев, а не на охлаждение, биметаллическая пластина действует почти так же, только на этот раз металл с высоким коэффициентом сжатия сжимается от холода, включая нагреватель. Другой тип термостата использует расширение пара, а не твердого тела. В этом случае нагрев пара заставляет его расширяться, нажимая на набор латунных сильфонов и замыкая цепь, тем самым включая кондиционер.

ГДЕ УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Бейсер, Артур. Физика, 5-е изд. Рединг, Массачусетс: Addison-Wesley, 1991.

«Сравнение материалов: коэффициент теплового расширения» (веб-сайт). (21 апреля 2001 г.).

Энциклопедия термодинамики (веб-сайт). (12 апреля 2001 г.).

Флейшер, Пол. Материя и энергия: принципы материи и термодинамики. Minneapolis, MN: Lerner Publications, 2002.

NPL: Национальная лаборатория физики: Thermal Stuff: Beginners’ Guides (веб-сайт). (18 апреля 2001 г.).

Ройстон, Анджела. Горячее и холодное. Чикаго: Библиотека Хайнемана, 2001.

Супли, Курт. Объяснение повседневной науки. Вашингтон, округ Колумбия: Национальное географическое общество, 1996.

«Измерение теплового расширения» (веб-сайт). (21 апреля 2001 г.).

«Тепловое расширение твердых тел и жидкостей» (веб-сайт). (21 апреля 2001 г.).

Уолпол, Бренда. Температура. Иллюстрировано Крисом Фэйрклафом и Деннисом Тинклером. Милуоки, Висконсин: Gareth Stevens Publishing, 1995.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

КОЭФФИЦИЕНТ:

Число, которое служит мерой некоторой характеристики или свойства. Коэффициент также может быть фактором, на который умножаются другие значения для получения желаемого результата.

КОЭФФИЦИЕНТ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ:

Постоянная величина для любого конкретного типа твердого тела, используемая при расчете величины, на которую длина этого твердого тела изменится в результате изменения температуры. Для любого данного вещества коэффициент линейного расширения обычно представляет собой число, выраженное в единицах 10 ^-5 /°C.

КОЭФФИЦИЕНТ ОБЪЕМНОГО РАСШИРЕНИЯ:

Постоянная величина для любого конкретного типа материала, используемая при расчете величины, на которую объем этого материала изменится в результате изменения температуры. Для любого данного вещества коэффициент объемного расширения обычно представляет собой число, выраженное в единицах 10 9 . 0033 -4 /°С.

ТЕПЛО:

Внутренняя тепловая энергия, перетекающая от одного тела к другому.

КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ:

Энергия, которой объект обладает благодаря своему движению.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭНЕРГИЯ ПЕРЕДАЧИ:

Кинетическая энергия в системе, создаваемая движением молекул относительно друг друга.

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ:

Энергия, которой объект обладает благодаря своему положению.

СИСТЕМА:

В физике термин «система» обычно относится к любому набору физических взаимодействий или любому материальному телу, изолированному от остальной Вселенной. Все, что находится за пределами системы, включая все факторы и силы, не имеющие отношения к обсуждению этой системы, известно как окружающая среда.

ТЕМПЕРАТУРА:

Мера средней кинетической энергии или энергии поступательного движения молекул в системе. Различия в температуре определяют направление потока внутренней энергии между двумя системами при передаче тепла.