Коэффициент расширения теплоносителя пропиленгликоля | teplonositeli-pro.ru

Под коэффициентом теплового расширения любого тела понимают физическую величину, которая характеризует относительное изменение его объёма или линейных размеров при изменении (увеличении) температуры на 1К (˚С) при постоянном давлении. На практике более заметно расширение либо уменьшение объёма на примере жидкостей при их нагреве либо охлаждении, соответственно, по сравнению с твёрдыми телами. Изменение объёма обозначается показателем в виде коэффициента объёмного расширения: β = 1/V, К^-1 (˚С^-1).

Поскольку пропиленгликоль не может использоваться в чистом виде в качестве теплоносителя (состава низкозамерзающего всесезонного), ввиду его повышенной вязкости и коррозионной активности по отношению к металлам и сплавам, правильнее говорить о применении его водных растворах различной концентрации, в которые вводится пакет антикоррозионных присадок.

Водопропиленгликолевые составы низкозамерзающие всесезонные или жидкости охлаждающие для теплообменных систем относятся к одной из наиболее востребованной группе теплообменных жидкостей (после воды), применяемых в отопительной аппаратуре. Это обусловлено их довольно низкой температурой начала кристаллизации, что позволяет применять их и в зимний период (отопительный сезон).

К тому же они не столь токсичны как растворы этиленгликоля и не наносят вреда окружающей среде, хотя и обладают свойствами присущими гликолям. При низких отрицательных температурах окружающего воздуха они не переходят в твёрдую структуру льда (как это происходит с водой) и сохраняют работоспособность теплообменных систем.

Для чего необходимо знать коэффициент расширения?

Большинство автономных систем теплоснабжения спроектированы для применения воды, либо иногда – составов низкозамерзающих всесезонных, в качестве теплоносителя. Поэтому при расчётах и выборе аппаратов системы теплообмена (расширительной ёмкости) для них, учитываются и физические параметры.

Но если в качестве альтернативы будет использоваться не обычная техническая вода, нужно учитывать, что коэффициент расширения теплоносителя на основе пропиленгликоля (антифриза) будет другим. Его вычисляют для внесения необходимых корректировок, проверки соответствия объёма емкости расширительного бака.

Использование антифриза может привести к «завоздушиванию» отопительной системы. Этот процесс – результат более высокого (если сравнивать с водой) коэффициента температурного расширения теплоносителя на основе пропиленгликоля. В итоге объёма емкости расширительного бака оказывается недостаточно для его заполнения. Поэтому излишки антифриза при нагреве его до рабочей температуры (обычно это около 85 °C) сбрасываются путем слива через предохраняющий клапан.

После снижения тепловой нагрузки требуется подпитка системы теплообмена рабочей средой. Для этого используется вода, в которой содержатся растворённый воздух, который выделяется из жидкой фазы в результате нагрева. Все это провоцирует образование воздушных пробок, вызывающих серьезные аварии в системе отопления и поломки отдельной аппаратуры. На практике этот процесс хорошо демонстрируется во время эксплуатации двигателей внутреннего сгорания автотранспортной техники, когда система их охлаждения не обеспечивает нормальной работы и начинает «закипать».

Зависимость величины коэффициента расширения от температуры

Величина коэффициента объёмного теплового расширения теплоносителей на базе водных растворов пропиленгликоля зависит не только от его концентрации (содержании) в растворе, но и от температурного диапазона системы теплообмена в которой применяется теплоноситель. Существуют материалы и диапазоны температур, даже для воды когда, в узком интервале температур от 0˚С до + 4˚С, величина коэффициента отрицательная. Рассматриваемый коэффициент для теплоносителей на основе пропиленгликоля увеличивается с ростом температуры. Конкретные величины коэффициента объёмного расширения и динамику его увеличения при повышении температур для антифризов можно найти в справочной литературе.

Теплоноситель, в основе которого содержится пропиленгликоль, имеет значительно больший коэффициент расширения при нагреве, по сравнению с водой, поэтому рекомендуется подбирать бак для такой системы отопления большего объема. В отличие от воды, теплоемкость такого теплоносителя меньше на 15%. Это приводит к ухудшению условий теплообмена и требует монтажа дополнительных радиаторов, обладающих максимальной мощностью.

Кроме теплового расширения в результате нагрева, в теплоносителе на базе пропиленгликоля могут происходить необратимые изменения его химического состава в результате перегрева. Поэтому допускать повышение температуры антифриза до максимальных показателей не рекомендуется. Для объектов, где в отопительных системах требуется применение теплоносителей на основе водных растворов пропиленгликоля, гарантирующих экологическую безопасность, можно приобрести такую продукцию у компании «Савиа», которая занимается производством теплоносителей широкой номенклатуры.

Предлагаемые теплоносители сертифицированы, соответствуют международным и российским нормам качества. Составы подходят для обеспечения работы отопительных установок в жилых домах, на предприятиях пищевой промышленности. В случае утечки пропиленгликолевого антифриза исключается вероятность отравления.

Коррекция объема расширительного бака

Опубликовано: 02 ноября 2015 г.

5871

Во многих регионах России устойчивая работа автономной системы теплоснабжения в осенне-зимний период  обеспечивается применением теплоносителя с низкой температурой замерзания. В подавляющем большинстве случаев  используются гликолевые смеси, физико-химические характеристики которых отличаются от параметров воды.

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

Уже более полутораста лет назад в России стали широко применяться системы отопления с теплоносителем. В большинстве случаев это  было водяное или паровое отопление. Еще примерно через сто лет начался переход от открытых систем отопления к закрытым, важным элементом которых стал расширительный бак (экспансомат), назначение которого состояло в компенсации температурного расширения теплоносителя (

рис.1).

Рис.  1. Конструкция современных мембранных баков

В том случае, если автономная система теплоснабжения была изначально спроектирована в расчете на использование в качестве теплоносителя воды, исходя из ее физических параметров подбирался тип и главное объем расширительного  бака. Однако гликолевые смеси имеют другой коэффициент объемного теплового расширения, кинематическую вязкость и теплоемкость (табл.1). Поэтому смена типа теплоносителя с переходом на гликолевые смеси требует и корректировки отопительной системы, в частности, проверки емкости расширительного бака и при необходимости ее коррекции (замены бака).

Для определения массового расхода (М) теплоносителя требуется рассчитать необходимое отопительной системой количества тепла. Затем расход определяется по формуле:

M = 3,6 × ΣQ_i

/c × ∆t), кг/ч,

где ΣQ_i – требуемый тепловой поток , Вт; с – удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/кг•˚С, ∆t = t_1т – t_2т – разность температур теплоносителя на входе и выходе из системы, ˚С.

Объемный расход в м³/ч определяется делением полученного значения на удельный вес теплоносителя. При смене теплоносителя значение имеет увеличение объемного  расхода относительно воды – V_a/V_в, где V_а и V_в – соответственно, объемы гликолевой смеси и воды. Причем объем первой зависит также от типа гликоля и его концентрации, которые в свою очередь подбираются, исходя из условий эксплуатации. Например, при понижении температуры замерзания смеси на основе этиленгликоля от –20 до –67 ˚С объемные расходы возрастают на 6 и 12 %, соответственно (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость  относительного объемного расширения от температуры теплоносителя:

а – вода; б – водный раствор моноэтиленгликоля 45 %

А в системах ГВС с бойлером косвенного нагрева можно применять только нетоксичный, но, увы, более дорогой пропиленглиголь. Коэффициент теплового расширения его растворов, значительно отличающийся от водяного, близок к соответствующим  значениям моноэтиленгликолевых водных растворов (табл.2).

Опасный воздух

Переход на антифриз может приводить к завоздушиванию отопительных систем: ведь он имеет более высокий по сравнению с водой коэффициент объемного расширения и емкости расширительного бака, рассчитанного на ее использование, что может оказаться недостаточно.   Поэтому при нагреве теплоносителя до рабочих температур (в среднем 85 ˚С) его излишек может быть сброшен через предохранительный клапан. Затем при снижении тепловой нагрузки потребуется подпитка системы, которая обычно осуществляется водой. Растворенные в ней газы выделятся при нагреве и приведут к образованию  воздушных пробок, появление которых чревато уже серьезными авариями.

Минимально необходимый объем расширительного бака в закрытой системе отопления можно рассчитать по формуле:

V_b = (V_1b + ∆V_r) × (P₂ + 1)/( P₂ + P₁), м³,

где V_1b – начальный объем теплоносителя в баке при холодной системе отопления, м³; ∆V_r – значение расширения теплоносителя при нагреве до рабочей температуры, м³; P₂ – давление в расширительном баке при рабочей температуре, бар; P₁ – давление в расширительном баке до заполнения системы теплоносителем, бар.

Значение ∆V_r рассчитывается как произведение общего объема теплоносителя в системе, среднего в рабочем температурном диапазоне коэффициента объемного расширения (k)  и этого диапазона. Его значение обычно принимается равным 60 ˚С (∆t = t_ср – t₀ = 80 – 20, ˚С).

При переходе с воды на антифриз важно соотношение V_2b/V_1b, где V_2b и V_1b  –соответственно, объемы расширительного бака для низкотемпературного теплоносителя и воды. Замена ее на гликолевые растворы концентрацией 40–45 % и, соответственно, с температурой начала кристаллизации 30–35 ˚С в отопительных системах мощностью до 100 кВт потребует увеличения номинальных объемов расширительных баков на 5–15 %, в более производительных системах коррекцию лучше проводить, используя графики зависимости объема от мощности и типа теплоносителя (

рис.3) или таблицы пересчета.

Рис. 3. Зависимость объема расширительного бака от мощности системы отопления:

а – вода; б – водный раствор моноэтиленгликоля 45 %

Важнейший параметр для антифризов – максимальные рабочие температуры. Кипеть при атмосферном давлении большинство гликолевых растворов начинает при 104–112 °C. Однако некоторые производители заявляют рабочие температуры значительно выше, до 150 ˚С и даже больше,  вполне приемлемые для гелиосистем. Принципиальное значение этот параметр имеет потому, что в отличие от воды при превышении допустимой температуры происходит необратимое разложение гликолевых растворов.

Поэтому выбор расширительного бака с запасом на запредельное увеличение температуры смысла не имеет: даже небольшой локальный перегрев приводит к столь серьезным деструктивным изменениям, что должен в принципе потребовать замены всего гликолевого теплоносителя.

Очень важно то, что гликолевые смеси имеют повышенную по сравнению с водой проницаемость или текучесть. Причем вероятность возникновения протечек тем больше, чем больше в отопительной системе соединений. А течи часто обнаруживаются при ее остывании, когда возникают проницаемые для антифриза микроканалы. Поэтому все соединения, выполненные ранее при установке расширительного бака, должны быть доступны для ревизии, не скрыты под облицовкой или замоноличены.

Таблица. 1. Физические характеристики теплоносителей

Параметр	Единица измерения	Вода	Моноэтиленгликоль 45 %	Моноэтиленгликоль 60 %
Температура замерзания	°С	0	–30	–48
Плотность*	кг/м3	972	1029	1048
Теплоемкость*	кДж/кг×°С	4,2	3,7	3,5
Кинематическая вязкость*	сСт	0,37	1,4	1,8
Коэффициент объемного теплового расширения	°С-1	4,5×10-4	5,3×10-4	6,0×10-4

*При t = 80 °С

Таблица 2. Физические характеристики водного раствора пропиленгликоля 47 %

Параметр	Единица измерения	Значение
Температура замерзания	°С	–30
Плотность*	кг/м3	999
Теплоемкость*	кДж/кг×°С	3,82
Коэффициент расширения	°С-1	6,73×10–4

Статья опубликована в журнале «Аква-Терм» №3 (87) 2015, рубрика «Мастер-класс»

Статьи

Поделиться:

вернуться назад

Очистка и обеззараживание при кондиционировании
Экономия и учет тепла/ С. Никитина
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ПРОИЗВОДСТВА КОТЛОВ МАЛОЙ И СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЯ/ Н. Серов, Е. Сибирко
Модельный ряд низкотемпературного оборудования De Dietrich пополнила новая серия напольных чугунных котлов NeOvo EcoNOx

13.2 Тепловое расширение твердых тел и жидкостей – Колледж физики: OpenStax

Глава 13 Температура, кинетическая теория и газовые законы

Резюме

• Дайте определение и опишите тепловое расширение.
• Рассчитать линейное расширение объекта, зная его начальную длину, изменение температуры и коэффициент линейного расширения.
• Рассчитать объемное расширение объекта, зная его начальный объем, изменение температуры и коэффициент объемного расширения.
• Расчет термической нагрузки на объект по его первоначальному объему, изменению температуры, изменению объема и объемному модулю.

Рис. 1. Термокомпенсаторы , подобные этим, на мосту через гавань Окленда в Новой Зеландии позволяют изменять длину мостов без потери устойчивости. (кредит: Ingolfson, Wikimedia Commons)

Расширение спирта в термометре является одним из многих часто встречающихся примеров теплового расширения , изменения размера или объема данной массы в зависимости от температуры. Горячий воздух поднимается вверх, потому что его объем увеличивается, что приводит к тому, что плотность горячего воздуха становится меньше, чем плотность окружающего воздуха, вызывая выталкивающую (поднимающую) силу на горячий воздух. То же самое происходит со всеми жидкостями и газами, приводя к естественному переносу тепла вверх в домах, океанах и погодных системах. Твердые тела также подвергаются термическому расширению. Железнодорожные пути и мосты, например, имеют компенсаторы, что позволяет им свободно расширяться и сжиматься при изменении температуры.

Каковы основные свойства теплового расширения? Во-первых, тепловое расширение явно связано с изменением температуры. Чем больше изменение температуры, тем больше будет изгибаться биметаллическая полоса. Во-вторых, это зависит от материала. В термометре, например, расширение спирта намного больше, чем расширение стакана, содержащего его.

Какова основная причина теплового расширения? Как обсуждается в главе 13.4 «Кинетическая теория: атомное и молекулярное объяснение давления и температуры», повышение температуры подразумевает увеличение кинетической энергии отдельных атомов. В твердом теле, в отличие от газа, атомы или молекулы плотно упакованы вместе, но их кинетическая энергия (в виде небольших быстрых колебаний) отталкивает соседние атомы или молекулы друг от друга. Это отталкивание соседа к соседу приводит в среднем к несколько большему расстоянию между соседями и в сумме к большему размеру всего тела. Для большинства веществ в обычных условиях нет предпочтительного направления, и повышение температуры увеличивает размер твердого тела на определенную долю в каждом измерении.

ЛИНЕЙНОЕ ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ — ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ В ОДНОМ ИЗМЕРЕНИИ

Изменение длины[латекс]\boldsymbol{\Delta{L}}[/латекс]пропорционально длине[латекс]\жирныйсимвол{L}. [/латекс] зависимость теплового расширения от температуры, вещества и длины сводится к уравнению

[латекс]\boldsymbol{\Delta{L}=\alpha{L}\Delta{T}},[/latex]

, где[ латекс]\boldsymbol{\Delta{L}}[/latex]является изменением длины[латекс]\boldsymbol{L},\:\boldsymbol{\Delta{T}}[/latex]является изменением температуры, а [латекс]\жирныйсимвол{\альфа}[/латекс] — коэффициент линейного расширения, который незначительно зависит от температуры. 9{\circ}\textbf{C}}[/latex]или 1/К. Поскольку размер кельвина и градуса Цельсия одинаковы, как [latex]\boldsymbol{\alpha}[/latex], так и [latex]\boldsymbol{\Delta{T}}[/latex] могут быть выражены в единицах кельвинов или градусов Цельсия. Уравнение[латекс]\жирныйсимвол{\Delta{L}=\alpha{L}\Delta{T}}[/latex] является точным для небольших изменений температуры и может использоваться для больших изменений температуры, если среднее значение [латекс]\boldsymbol{\alpha}[/латекс] используется.

{\circ}\textbf{C}}.[/latex] 9{\circ}\textbf{C})=0,84\textbf{ м.}}[/latex]

Обсуждение

Хотя это изменение длины невелико по сравнению с длиной моста, оно заметно. Обычно он распространяется на множество компенсационных швов, так что расширение в каждом шве невелико.

Объекты расширяются во всех измерениях, как показано на рисунке 2. То есть их площади и объемы, а также их длины увеличиваются с температурой. Отверстия также увеличиваются с температурой. Если вы прорежете отверстие в металлической пластине, оставшийся материал расширится точно так же, как если бы заглушка оставалась на месте. Пробка станет больше, а значит и отверстие тоже должно стать больше. (Представьте, что кольцо соседних атомов или молекул на стенке отверстия отталкивает друг друга все дальше друг от друга по мере повышения температуры. Очевидно, что кольцо соседей должно немного увеличиваться, поэтому отверстие становится немного больше).

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ В ДВУХ ИЗМЕРЕНИЯХ

Для небольших изменений температуры изменение площади [латекс]\boldsymbol{\Delta{A}}[/latex] определяется как

[латекс]\boldsymbol{\Delta{A}= 2\alpha{A}\Delta{T}},[/latex]

, где[latex]\boldsymbol{\Delta{A}}[/latex]изменение площади[latex]\boldsymbol{A}, \:\boldsymbol{\Delta{T}}[/latex] – изменение температуры, а [latex]\boldsymbol{\alpha}[/latex] – коэффициент линейного расширения, который незначительно зависит от температуры.

Рисунок 2. Обычно объекты расширяются во всех направлениях при повышении температуры. На этих рисунках исходные границы объектов показаны сплошными линиями, а расширенные границы — пунктирными линиями. а) Площадь увеличивается, потому что увеличиваются и длина, и ширина. Площадь круглой пробки также увеличивается. (b) Если заглушка удалена, отверстие, которое она оставляет, становится больше с повышением температуры, как если бы расширяющаяся заглушка оставалась на месте. в) Объем также увеличивается, потому что увеличиваются все три измерения.

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ В ТРЕХ ИЗМЕРЕНИЯХ

Изменение объема [латекс]\boldsymbol{\Delta{V}}[/latex]очень близко к [латексу]\boldsymbol{\Delta{V}=3\alpha{V}\ Delta{T}}.[/latex]Это уравнение обычно записывается как

[латекс]\boldsymbol{\Delta{V}=\beta{V}\Delta{T}},[/latex]

, где[ латекс]\boldsymbol{\beta}[/latex]– коэффициент объемного расширения, а [латекс]\boldsymbol{\beta\приблизительно{3}\альфа}. [/latex]Обратите внимание, что значения [латекс]\boldsymbol {\beta}[/latex]в таблице 2 почти точно равны[latex]\boldsymbol{3\alpha}.[/latex] 9{\circ}\textbf{C}}[/latex] вода подо льдом из-за этой необычной характеристики воды. Он также производит циркуляцию воды в пруду, что необходимо для здоровой экосистемы водоема.

Рисунок 3. Плотность воды как функция температуры. Обратите внимание, что тепловое расширение на самом деле очень мало. Максимальная плотность в точке +4 ⁰ C всего на 0,0075 % больше плотности в точке 2°C и на 0,012 % больше плотности в точке 0°C .

ВЫПОЛНЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ: РЕАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ — ЗАПОЛНЕНИЕ БАКА

Различия в тепловом расширении материалов могут привести к интересным эффектам на заправочной станции. Одним из примеров является капание бензина из только что заправленного бака в жаркий день. Бензин стартует при температуре земли под заправкой, которая ниже температуры воздуха над ней. Бензин охлаждает стальной бак, когда он заполнен. И бензин, и стальной бак расширяются при нагревании до температуры воздуха, но бензин расширяется гораздо больше, чем сталь, поэтому он может перелиться через край.

Эта разница в расширении также может вызвать проблемы при интерпретации показаний указателя уровня бензина. Фактическое количество (масса) бензина, оставшегося в баке, когда датчик показывает «пусто», летом намного меньше, чем зимой. Бензин имеет тот же объем, что и зимой, когда загорается индикатор «добавьте топливо», но из-за того, что бензин расширился, масса стала меньше. Если вы привыкли проезжать еще 40 миль «пустым» зимой, будьте осторожны — летом вы, вероятно, выбежите гораздо быстрее. 9{\circ}\textbf{C}}?[/latex]

Стратегия

Бак и бензин увеличиваются в объеме, но бензин увеличивается больше, поэтому количество пролитого равно разнице в изменении их объема. (Бензиновый бак можно рассматривать как твердую сталь.) Мы можем использовать уравнение для расширения объема, чтобы вычислить изменение объема бензина и бака.

Решение

1. Используйте уравнение для объемного расширения, чтобы рассчитать увеличение объема стального резервуара:

[латекс] \boldsymbol{\Delta{V}_{\textbf{s}}=\beta_{\textbf{s}}V_{\textbf{s}}\Delta{T}}.[/latex]

2. Увеличение объема бензина определяется следующим уравнением: \textbf{gas}}\Delta{T}}.[/latex]

3. Найдите разницу в объеме, чтобы определить количество пролитого вещества как

[латекс]\boldsymbol{V _{\textbf{spill}}=\ Delta{V}_{\textbf{gas}}-\Delta{V}_{\textbf{s}}}.[/latex]

В качестве альтернативы мы можем объединить эти три уравнения в одно уравнение. (Обратите внимание, что исходные объемы равны.) 9{\circ}\textbf{C})} \\ {} & \boldsymbol{=} & \boldsymbol{1.10\textbf{L.}} \end{array}[/latex]

Обсуждение

Это количество является значительным, особенно для бака на 60,0 л. Эффект настолько поразителен, потому что бензин и сталь быстро расширяются. Скорость изменения термических свойств обсуждается в главе 14 «Тепло и методы теплопередачи».

Если вы попытаетесь плотно закрыть бак, чтобы предотвратить переполнение, вы обнаружите, что он все равно протекает, либо вокруг крышки, либо из-за разрыва бака. Плотное сжатие расширяющегося газа эквивалентно его сжатию, а как жидкости, так и твердые тела сопротивляются сжатию с чрезвычайно большими силами. Чтобы избежать разрыва жестких контейнеров, эти контейнеры имеют воздушные зазоры, которые позволяют им расширяться и сжиматься, не нагружая их.

Термическое напряжение создается тепловым расширением или сжатием (см. главу 5.3 Эластичность: напряжение и деформация для обсуждения напряжения и деформации). Термическое напряжение может быть разрушительным, например, когда расширяющийся бензин разрывает бак. Это также может быть полезно, например, когда две детали соединяются вместе путем нагревания одной в процессе производства, затем надевания ее на другую и охлаждения комбинации. Термический стресс может объяснить многие явления, такие как выветривание горных пород и дорожного покрытия из-за расширения льда при замерзании. 92}.[/latex](Дополнительные сведения о объемном модуле см. в главе 5.3 Эластичность: напряжение и деформация.)

Стратегия

Чтобы решить эту задачу, мы должны использовать следующее уравнение, которое связывает изменение объема[ латекс]\boldsymbol{\Delta{V}}[/latex]к давлению:

[латекс]\boldsymbol{\Delta{V}\:=}[/latex][латекс]\boldsymbol{\frac{1} {B}\frac{F}{A}}[/latex][latex]\boldsymbol{V_0,}[/latex]

, где[latex]\boldsymbol{F/A}[/latex] – давление,[ латекс]\boldsymbol{V_0}[/latex]– первоначальный объем, а [латекс]\boldsymbol{B}[/latex]– модуль объемного сжатия используемого материала. Мы будем использовать количество, пролитое в Примере 2, как изменение объема,[латекс]\жирныйсимвол{\Delta{V}}.[/латекс] 92},[/latex] намного больше, чем может выдержать бензобак.

Силы и давления, создаваемые термическим напряжением, обычно такие же большие, как и в приведенном выше примере. Железнодорожные пути и проезжие части могут деформироваться в жаркие дни, если на них недостаточно компенсационных швов. (См. рис. 5.) Линии электропередач провисают больше летом, чем зимой, и ломаются в холодную погоду, если провисание недостаточное. Трещины в оштукатуренных стенах открываются и закрываются по мере того, как дом нагревается и остывает. Стеклянные кастрюли треснут при быстром или неравномерном охлаждении из-за дифференциального сжатия и создаваемых им напряжений. (Pyrex® менее чувствителен из-за его малого коэффициента теплового расширения.) Корпусам высокого давления ядерных реакторов угрожает чрезмерно быстрое охлаждение, и, хотя ни один из них не вышел из строя, некоторые охлаждались быстрее, чем считалось желательным. Биологические клетки разрушаются при замораживании продуктов, что ухудшает их вкус. Многократное оттаивание и замораживание усугубляют ущерб. Даже океаны могут быть затронуты. Значительная часть повышения уровня моря в результате глобального потепления связана с тепловым расширением морской воды.

Рис. 5. Термическое напряжение способствует образованию выбоин. (кредит: Editor5807, Wikimedia Commons)

Металл регулярно используется в человеческом теле для имплантатов бедра и колена. Большинство имплантатов со временем необходимо заменять, потому что, среди прочего, металл не сцепляется с костью. Исследователи пытаются найти лучшие металлические покрытия, которые позволили бы связывать металл с костью. Одна из задач состоит в том, чтобы найти покрытие с коэффициентом расширения, аналогичным коэффициенту расширения металла. Если коэффициенты расширения слишком разные, термические напряжения в процессе производства приводят к трещинам на границе раздела покрытие-металл.

Еще один пример термического стресса обнаружен во рту. Зубные пломбы могут расширяться иначе, чем зубная эмаль. Это может вызывать боль при употреблении мороженого или горячего напитка. В пломбе могут появиться трещины. Металлические пломбы (золото, серебро и др.) заменяются композитными пломбами (фарфор), имеющими меньшие коэффициенты расширения и более близкие к зубным.

• Тепловое расширение – это увеличение или уменьшение размера (длины, площади или объема) тела из-за изменения температуры.
• Тепловое расширение велико для газов и относительно мало, но им можно пренебречь, для жидкостей и твердых тел.
• Линейное тепловое расширение

  [латекс]\boldsymbol{\Delta{L}=\alpha{L}\Delta{T}},[/latex]

  , где [латекс]\boldsymbol{\Delta{L}}[/latex]— изменение длины[латекс]\boldsymbol{L}, \:\boldsymbol{\Delta{T}}[/latex]— изменение зависит от температуры, а [латекс]\boldsymbol{\alpha}[/латекс] — коэффициент линейного расширения, который незначительно зависит от температуры.

• Изменение площади из-за теплового расширения составляет

  [латекс]\boldsymbol{\Delta{A}=2\alpha{A}\Delta{T}},[/latex]

  , где[латекс]\жирныйсимвол{\Дельта{А}}[/латекс] — изменение площади.

• Изменение объема из-за теплового расширения

  [латекс]\boldsymbol{\Delta{V}=\beta{V}\Delta{T}},[/latex]

  , где[латекс]\жирныйсимвол{\бета}[/латекс]является коэффициентом объемного расширения, а[латекс]\жирныйсимвол{\бета\приблизительно3\альфа}. [/латекс]Термическое напряжение создается, когда тепловое расширение ограничено. 9{\circ}\textbf{C}}[/latex]изменение температуры

  термическое напряжение

  напряжение, вызванное тепловым расширением или сжатием

   

  Тепловое расширение – Гиперучебник по физике

  [закрыть]

  Твердые вещества

  Для многих твердых тел расширение прямо пропорционально изменению температуры.

  ∆ℓ = αℓ ₀ ∆ T

  Площадь расширяется в два раза больше, чем длина.

  ∆ А  = 2α А ₀ ∆ Т

  Объемы расширяются в три раза больше, чем длины.

  ∆ В  = 3α В ₀ ∆ T

  приложений

  • изгиб
  • компенсационный зазор/соединение
  • Клапан защиты от ожогов
  • биметаллическая планка, термостат
  • расширение отверстий (монтаж железнодорожных шин)
  • “Кроме того, в полете самолет расширяется на 15-25 сантиметров из-за обжигающего тепла, создаваемого трением с воздухом. Конструкторы использовали ролики для изоляции салона от корпуса, чтобы при растяжении самолет не разорвало на части.” Хелен Пирсон: «Конкорд уходит на пенсию». Портал физики природы. Октябрь 2003.
  • “Конкорд имеет длину 204 фута, а в полете растягивается на шесть-десять дюймов из-за нагрева планера. Он окрашен специально разработанной белой краской, чтобы приспособиться к этим изменениям и рассеять тепло, выделяемое при сверхзвуковом полете”. источник
  • Тепловое расширение — небольшой, но не всегда незначительный эффект. Типичные коэффициенты измеряются в частях на миллион на кельвин (10 90 228 -6 90 229 /K). Это означает, что длина вашей типичной измерительной линейки в классе никогда не изменяется более чем на 100 мкм за весь срок ее службы — вероятно, она никогда не превысит 10 мкм, пока ее используют ученики.

  методы измерения

  • Компаратор длины
  • дилатометр с толкателем (дает относительное расширение, так как само устройство расширяется)
  • интерферометр (метод высшей точности)
  • рентгеновский дифрактометр
  • емкостной дилатометр
  • тензодатчик
  • оптический дилатометр (в основном цифровая камера)

  анизотропное расширение

  • Некоторые материалы расширяются по-разному в разных направлениях, особенно графит и дерево (древесина).

  жидкости

  Жидкости могут только увеличиваться в объеме.

  ∆ В  = β В ₀ ∆ T

  Жидкости имеют более высокий коэффициент расширения, чем твердые тела.

  β~10 ⁻³ /К, 3α~10 ⁻⁵ /К

  приложений

Коэффициенты линейного теплового расширения

материал	α (10 −6 /К)
глинозем (αAl 2 O 3 )	5,30
алюминий	23,1
феррит бария	10
латунь	20,3
углерод, алмаз	1,18
углерод, графит ∥	6,5
углерод, графит ⊥	0,5
хром	4,9
бетон	8–12
медь	16,65
эпоксидная смола	55
германий	6. 1
стекло, обычное	8,5
стекло, сверхнизкое расширение	0,04
золото	14,2
инвар (64% Fe, 36% Ni)	1,2
железо	11,8
свинец	28,9
никель	13,3
пластик	40–120
оргстекло	93
платина	8,8
плутоний	54
кремний	4,68
серебро	18,9
припой, свинец-олово	25
сталь, нержавеющая сталь	17,3
сталь, конструкционная	12
банка	22
титан	8,5
вольфрам	4,5
уран	13,9
вода, лед (0°C)	51
древесина (пиломатериалы), тангенциальные	36
дерево (пиломатериалы), радиальное	26
древесина (пиломатериалы) осевая	3,7
цинк	30,2
вольфрамат циркония (ZrW 2 O 8 )	−8,8

Коэффициенты объемного теплового расширения

☞ Все значения в обеих таблицах являются средними для температур с центром около 20 °C, если не указано иное.

материал	β (10 −6 /К)
спирт этиловый	1120
бензин	950
топливо для реактивных двигателей, керосин	990
ртуть	181
вода жидкая (1 °C)	−50
вода жидкая (4 °C)	0
вода жидкая (10°C)	88
вода жидкая (20°C)	207
вода жидкая (30°C)	303
вода жидкая (40°C)	385
вода жидкая (50°C)	457
вода жидкая (60°C)	522
вода жидкая (70°C)	582
вода жидкая (80°C)	640
вода жидкая (90 °C)	695

вода

• аномальное расширение воды
  • лед менее плотный, чем вода
  • вода имеет наибольшую плотность при 4°C (ρ = 999,973 кг/м ³ )
• приложений
  • лопнули замерзшие трубы
  • оборот озерной воды весной

плутоний

Плутоний подвергается большему количеству фазовых переходов при обычном давлении, чем любой другой элемент. При нагревании плутоний перед плавлением проходит через шесть различных кристаллических структур — α [альфа], β [бета], γ [гамма], ∆ [дельта], ∆′ [дельта-штрих] и ε [эпсилон]. Физические свойства, такие как плотность и тепловое расширение, значительно варьируются от фазы к фазе, что делает его одним из самых сложных металлов для обработки и обработки. Металлургию плутония лучше оставить специалистам.

Заметки из LLNL, которые необходимо перефразировать. «Одним из уникальных физических свойств плутония является то, что чистый металл претерпевает шесть твердотельных фазовых превращений, прежде чем достичь жидкого состояния, переходя от альфа, бета, гамма, дельта, дельта-прим и эпсилон. Большие объемные расширения и сжатия происходят между стабильная альфа-фаза при комнатной температуре и жидкое состояние элемента. Еще одна необычная особенность заключается в том, что нелегированный плутоний плавится при относительно низкой температуре, примерно 640 ° C, образуя жидкость с более высокой плотностью, чем твердое тело, из которого он плавится.