Toplinsko istezanje

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Indukcijsko grijanje metalne šipke 25 mm
Bimetal
Vanjski termometar
Kineska keramika
Spoj za širenje na mostu
Spoj za širenje u betonu
Spoj za širenje sa prirubnicom
Spoj za širenje od nehrđajućeg čelika
Izvijanje tračnica zbog izlaganja Sunčevim zrakama

Toplinsko istezanje je svojstvo materije da mijenja obujam, u ovisnosti od temperature.[1] Kada se materija grije, čestice se počinju kretati sa međusobno većim razmakom između njih. Materijali koji se sa povećanjem temperature skupljaju su rijetki i to samo za određene temperature. Stupanj širenja materijala podijeljenim sa promjerom temperature, naziva se koeficijent toplinskog istezanja i uglavnom se mijenja s temperaturom.

Pregled[uredi VE | uredi]

Pojava skupljanja[uredi VE | uredi]

Jedan dio materijala se skuplja, u određenom području rasta temperature, i to se naziva negativno toplinsko istezanje. Ako se voda ohladi na 0 ºC, pa zatim grije na 4 ºC, onda se ona u tom području skuplja, a nakon 4 ºC, gdje ima najveću gustoću, se širi. Isto silicij ima negativno toplinsko istezanje između 18 i 120 Kelvina. [2]

Utjecaji[uredi VE | uredi]

Za razliku od plinova i tekućina, krute tvari nastoje zadržati svoj oblik sa toplinskim istezanjem. Toplinsko istezanje uglavnom je manje, ako je energija kovalentnih veza veća, koja utječe isto na tvrdoću materijala, tako da tvrdi materijali imaju manje toplinsko istezanje. Tekućine se više toplinski šire od krutih tvari. Toplinsko istezanje stakla je veće od kristala. [3]

Koeficijent toplinskog istezanja[uredi VE | uredi]

Koeficijent toplinskog istezanja opisuje kako se veličina objekta mijenja sa promjenom temperature. Postoje linijski, površinski i obujamski koeficijent toplinskog istezanja, a koji će se uzeti, ovisi o primjeni.

Obujamski koeficijent toplinskog istezanja je osnovni, jer sa promjenom temperature, tijela mijenjaju obujam. Materijali koji se šire podjednako u svim smjerovima se nazivaju izotropni materijali.

Opći obujamski koeficijent toplinskog istezanja[uredi VE | uredi]

U slučaju plinova, tekućina i krutih tvari, obujamski koeficijent toplinskog istezanja se može opisati kao:


\alpha_V = \frac{1}{V}\,\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_p

indeks p pokazuje da je za vrijeme širenja tlak konstantan, a indeks V govori da se radi o toplinskom istezanju volumena.

Toplinsko istezanje krutih tvari[uredi VE | uredi]

Uobičajene inženjerske krute tvari imaju koeficijent toplinskog istezanja, koji se ne mijenja znatno sa promjenom temperature, a i tlak ne utječe znatno na promjene dimenzija.

Linijsko istezanje krutih tvari[uredi VE | uredi]

Koeficijent toplinskog istezanja za linijsko istezanje se može opisati kao:


\alpha_L=\frac{1}{L}\,\frac{dL}{dT}

gdje je L dužina, a dL/dT je odnos promjena linijskih dimenzija u ovisnosti od promjene temperature. Promjena dužine se može vrlo dobro procijeniti kao:


\frac{\Delta L}{L} = \alpha_L\Delta T

Površinsko istezanje krutih tvari[uredi VE | uredi]

Koeficijent toplinskog istezanja za površinsko istezanje se može opisati kao: [4]:


\alpha_A=\frac{1}{A}\,\frac{dA}{dT}

gdje je A površina nekog objekta, a dA/dT je odnos promjene površine u ovisnosti od promjene temperature. Promjena površine se može vrlo dobro procijeniti kao:


\frac{\Delta A}{A} = \alpha_A\Delta T

Obujamski koeficijent toplinskog istezanja[uredi VE | uredi]

Koeficijent toplinskog istezanja za obujamsko istezanje se može opisati kao:


\alpha_V = \frac{1}{V}\,\frac{dV}{dT}

gdje je V obujam nekog objekta, a dV/dT je odnos promjene obujma u ovisnosti od promjene temperature. Promjena obujma se može vrlo dobro procijeniti kao:


\frac{\Delta V}{V} = \alpha_V\Delta T

Tako na primjer, ako ugrijemo neki čelični blok koji ima 1 m3, za 50 °C, onda će on imati obujam od 1,002 m3. Ako ugrijemo 2 m3 čeličnog bloka za 50 °C, onda će on imati obujam od 2,004 m3, i u oba slučaja obujam se povećao za 0,2 %.

Izotropni materijali[uredi VE | uredi]

Za izotropne materijale, i za mala toplinska istezanja, linijski koeficijent toplinskog istezanja je dovoljno točno jedna trećina obujamskog koeficijent toplinskog istezanja:

\alpha_V \approx 3\alpha_L

Slično, površinski koeficijent toplinskog istezanja se može izračunati kao:

\alpha_A = \tfrac{2}{3}\alpha_V

Anizotropni materijali[uredi VE | uredi]

Materijali sa anizotropnom strukturom, kao što su kristali i mnogi kompozitni materijali, imaju različite linijske koeficijent toplinskog istezanja \frac{}{}\alpha_L , u različitim smjerovima. Kao rezultat i širenje obujma će se rasporediti nejednako.

Toplinsko istezanje plinova[uredi VE | uredi]

Za idealne plinove, obujamsko toplinsko istezanje ovisi o vrsti procesa pod kojim se temperatura mijenja. Imamo dvije vrste procesa, izobarna promjena – gdje je tlak konstantan, i adijabatska promjena, gdje se ne vrši rad i nema promjene entropije.

Kod izobarne promjene, obujamski koeficijent toplinskog istezanja \beta_p je:

PV = nRT \,
\ln\left(V\right) = \ln \left(T\right) + \ln\left(nR/P\right)
\beta_p = \bigg(\frac{1}{V} \frac{dV}{dT}\bigg)_p  = \bigg(\frac{d(ln V)}{d T}\bigg)_p = \frac{d(ln T)}{d T} = \frac{1}{T}

Toplinsko istezanje tekućina[uredi VE | uredi]

Teoretski, obujamski koeficijent toplinskog istezanja se može procijeniti kao β≈3α. Ipak, za tekućine α se dobija iz pokusa.

Primjeri i primjena[uredi VE | uredi]

Širenje i skupljanje materijala se mora uzeti u obzir kada se konstruiraju velike strukture, kada se mjere dugačke dimenzije sa mjernom trakom u geodetskom mjerenju, kada se konstruira kalup za izradu odljevaka u ljevaonama itd.

Toplinsko istezanje se mora uzeti u obzir i kada se konstruiraju razni preklopni spojevi, u strojarskim primjenama, kada je osovina nešto veća od ležaja, u koji ulazi, pa se obično osovina grije na 150 °C do 300 °C, da bi ušla u ležaj, i nakon hlađenja stvorila čvrsti stezni spoj.

Postoje legure sa vrlo malim linijskim koeficijentom toplinskog istezanja, kao što je Invar 36, koja se koristi kod izrade satova i u avionskim primjenama.

Kontrola toplinskog istezanja je vrlo važna kod izrade keramike, zato što je ona vrlo krta i ne može izdržati iznenadne promjene temperature. Drugi problem je kod stavljanja glazure, koja ima drukčiji koeficijent toplinskog istezanja od keramike, pa kod hlađenja može doći do pojave krhotina.

Kod željezničkih tračnica treba stavljati spojeve za širenje (ekspanzioni spoj), jer se može dogoditi izvijanje tračnica kod izlaganja Sunčevim zrakama. Spojevi za širenje su uobičajeni kod izrade mostova i dugačkih betonskih blokova, a česti su i kod metalnih cijevi koje prenose vruću vodu ili paru.

Termometar je isto primjer korištenja toplinskog istezanja i koristi svojstvo žive ili alkohola, da se širi ili skuplja unutar cijevi.

Bimetal koristi dva različita materijala, sa različitim koeficijentima toplinskog istezanja, za izvijanje u jednu stranu.

Koeficijent toplinskog istezanja za različite materijale[uredi VE | uredi]

Materijal Linijski koeficijent, α, kod 20 °C
(10−6/°C)
Obujamski koeficijent, β, kod 20 °C
(10−6/°C)
Bilješke
Aluminij 23 69
Benzociklobuten (C8H8) 42 126
Mjed 19 57
Ugljični čelik 10,8 32,4
Beton 12 36
Bakar 17 51
Dijamant 1 3
Etanol 250 750[5] Linijski koeficijent je približan
Galij arsenid (GaAs) 5,8 17,4
Benzini 317 950 Linijski koeficijent je približan
Staklo 8,5 25,5
Staklo, borosilikatno 3,3 9,9
Zlato 14 42
Indij fosfat (InP) 4,6 13,8
Invar 1,2 3,6
Željezo 11,1 33,3
Kapton 20[6] 60 DuPont™ Kapton® 200EN
Olovo 29 87
MACOR 9,3[7]
Magnezij 26 78
Živa 61 182 Linijski koeficijent je približan
Molibden 4,8 14,4
Nikal 13 39
Hrast 54 [8] 162 Okomito na vlakna
Bor 34 102 Okomito na vlakna
Platina 9 27
PVC 52 156
Kvarc 0,59 1,77
Guma 77 231
Safir 5,3[9] Paralno sa C osi
Silicij karbid (SiC), poznat kao karborundum 2,77 [10] 8,31
Silicij 3 9
Srebro 18[11] 54
Sitall 0,15 [12] 0,45
Nehrđajući čelik 17,3 51,9
Čelik 11,0 ~ 13,0 33,0 ~ 39,0 Ovisi o sastavu
Volfram 4,5 13,5
Voda 69 207 [13] Linijski koeficijent je približan
YbGaGe 0 0 [14]

Izvori[uredi VE | uredi]

  1. Paul A., Tipler Gene Mosca: "Physics for Scientists and Engineers", publisher = Worth Publishers, 2008., [1]
  2. William C., O'Mara Robert B., Herring Lee P.: "Handbook of semiconductor silicon technology", publisher = Noyes Publications, 1990., [2] 2010.
  3. A. K. Varshneya: "Fundamentals of inorganic glasses" ,publisher=Society of Glass Technology, 2006.
  4. Donald L. Turcotte, Schubert Gerald, 2002. "Geodynamics", publisher = Cambridge
  5. "Young and Geller College Physics" Young Geller
  6. [3]
  7. [4] MACOR data sheet
  8. [5] "WDSC 340. Class Notes on Thermal Properties of Wood"
  9. [url=http://americas.kyocera.com/kicc/pdf/Kyocera%20Sapphire.pdf] Sapphire
  10. [6] "Basic Parameters of Silicon Carbide (SiC)"
  11. [7] "Thermal Expansion Coefficients"
  12. [8] "Star Instruments"
  13. [9] "Properties of Common Liquid Materials"
  14. Salvador James R., Guo Fu, Hogan Tim, Kanatzidis Mercouri G.: "Zero thermal expansion in YbGaGe due to an electronic valence transition" [10] journal=Nature, 2003.