Коэффициент линейного расширения (пнаэ г-7-002-86). справочник

Очевидное и абсолютное расширение

Измеряя расширение жидкости, измерение должно составлять расширение контейнера также. Например, фляга, которая была построена с длинной узкой основой, заполненной достаточным количеством жидкости, что сама основа частично заполнена, когда помещено в тепловую ванну первоначально покажет колонку жидкости в основе, чтобы понизиться сопровождаемый непосредственным увеличением той колонки, пока система ванны фляги/жидкости/высокой температуры не термализовалась. Начальное наблюдение за колонкой жидкого понижения не происходит из-за начального сокращения жидкости, а скорее расширения фляги, поскольку это связывается с тепловой ванной сначала. Вскоре после жидкость во фляге нагрета самой флягой и начинает расширяться. Так как у жидкостей, как правило, есть большее расширение по твердым частицам, жидкость во фляге в конечном счете превышает жидкость фляги, вызывающей колонку жидкости во фляге повыситься. Прямое измерение высоты жидкой колонки — измерение Очевидного Расширения жидкости. Абсолютное расширение жидкости — очевидное расширение, исправленное для расширения содержания судна.

Поразмышляем

Представьте, что перед вами расположен прямоугольный металлический лист с круглым отверстием посредине. Если металл нагреть, то кусок увеличится из-за теплового расширения. Но что будет с отверстием? Хорошо, давайте возьмем точно такой же лист без отверстия. Нарисуйте на нем круг. Что вы видите? Да, он стал больше. Поэтому и отверстие также увеличится.

С ростом температурного показателя объекты расширяются во всех направлениях. На чертежах видно, что сплошные линии и расширенные границы с пунктирами отмечают исходные границы тел. (а) – Площадь возрастает, потому что растут длина и ширина. (b) – Если убрать заслонку, отверстие увеличится с повышением температуры

Коэффициент теплового расширения

Коэффициент теплового расширения описывает, как размер объекта изменяется с изменением в температуре. Определенно, это измеряет фракционное изменение в размере за изменение степени в температуре в постоянном давлении. Были развиты несколько типов коэффициентов: объемный, область, и линейный. То, которое используется, зависит от особого применения и какие размеры считают важными. Для твердых частиц можно было бы только быть обеспокоен изменением вдоль длины, или по некоторой области.

Объемный тепловой коэффициент расширения — самый основной тепловой коэффициент расширения и самое соответствующее для жидкостей. В целом вещества расширяются или сокращаются когда их изменения температуры с расширением или сокращением, происходящим во всех направлениях. Вещества, которые расширяются по тому же самому уровню в каждом направлении, называют изотропическими. Для изотропических материалов область и объемный тепловой коэффициент расширения, соответственно, приблизительно дважды и в три раза более крупные, чем линейный тепловой коэффициент расширения.

Математические определения этих коэффициентов определены ниже для твердых частиц, жидкостей и газов.

Общий объемный тепловой коэффициент расширения

В общем случае газа, жидкости или тела, объемный коэффициент теплового расширения дан

\alpha_V = \frac {1} {V }\\, \left (\frac {\\неравнодушный V} {\\частичный T }\\право) _p

Приписка p указывает, что давление считается постоянным во время расширения и приписки «V» усилия, что это — объемное (не линейный) расширение, которое входит в это общее определение. В случае газа факт, что давление считается постоянным, важен, потому что объем газа изменится заметно с давлением, а также температурой. Для газа низкой плотности это может быть замечено по идеальному газовому закону.

Расширение, а не сокращение

Почему при нагревании материя расширяется? Все дело в форме типичного потенциала частичек. Если они расположены в твердых объектах и жидкостях, то постоянно ощущают наличие соседних элементов. В математике выражается как потенциальная кривая. На нижнем рисунке видно, что этот межчастичный потенциал выглядит как асимметрия. Отметьте, что на коротких дистанциях она становится более крутой. На диаграмме (b) видно, что с нагревом вещества средняя дистанция частичек увеличивается. Очень редко можно встретить материал, который при нагреве сожмется или сохранит форму. Эффект ограничивается по размеру и осуществляется только в определенных температурных диапазонах.

Типичный межчастичный потенциал в конденсированном веществе

Коэффициенты теплового расширения для различных материалов

Объемный коэффициент термического расширения для полукристаллического полипропилена.

Линейный коэффициент теплового расширения для некоторых марок стали.

В этом разделе приведены коэффициенты для некоторых распространенных материалов.

Для изотропных материалов коэффициенты линейного теплового расширения α и объемного теплового расширения α V связаны соотношением α V  = 3 & alpha ; . Для жидкостей , как правило , коэффициент объемного расширения перечислен и линейное расширение вычисляется здесь для сравнения.

Для обычных материалов , таких как многие металлы и соединения, коэффициент теплового расширения, обратно пропорционален температуре плавления . В частности , для металлов соотношение:

α≈0,020Mп{\ Displaystyle \ альфа \ около {\ гидроразрыва {0,020} {M_ {Р}}}}

для галогенидов и оксидов

α≈0,038Mп-7,0⋅10-6К-1{\ Displaystyle \ альфа \ около {\ гидроразрыва {0,038} {M_ {Р}}} — 7.0 \ CDOT 10 ^ {- 6} \, \ mathrm {K} ^ {- 1}}

В приведенной ниже таблице, диапазон для альфа составляет от 10 -7 K -1 для твердых частиц до 10 -3 K -1 для органических жидкостей. Коэффициент α изменяется в зависимости от температуры и некоторые материалы имеют очень высокую вариацию; смотри, например , изменение в зависимости от температуры объемного коэффициента для полукристаллического полипропилена (ПП) при различном давлении, а также изменение коэффициента линейного в зависимости от температуры для некоторых марок стали (от нижней части до верхней: ферритной нержавеющей стали, мартенситной нержавеющей стали , углеродистая сталь, дуплексная нержавеющая сталь, аустенитная сталь). Самый высокий коэффициент линейного в твердом теле сообщалось для сплава Ti-Nb.

(Формула α V  ≈ 3 α обычно используется для твердых веществ.)

материал Линейный коэффициент CLTE α при 20 ° C (10 -6 К -1 ) Объемный коэффициент α V при 20 ° C (10 -6 К -1 ) Заметки
алюминий 23,1 69
нитрид алюминия 4.2 а-оси, 5,3 с-оси 13,7 AlN является анизотропным
Benzocyclobutene 42 126
латунь 19 57
Углеродистая сталь 10.8 32,4
углепластик — 0,8 анизотропный направление волокон
бетон 12 36
медь 17 51
ромб 1 3
Этиловый спирт 250 750
Галлий (III), арсенид 5,8 17,4
бензин 317 950
Стакан 8,5 +25,5
Стекло , боросиликатное 3,3 9,9 соответствие уплотнение партнера для вольфрама , молибдена и кобальта — никелевого сплава .
Стекло ( Pyrex ) 3,2
Глицерин 485
Золото 14 42
гелий 36,65
лед 51
Индий фосфид 4,6 13,8
инвар 1.2 3,6
Железо 11,8 35,4
Каптоновая 20 60 Дюпон Каптоновая 200EN
вести 29 87
Macor 9,3
магниевый 26 78
Меркурий 61 182
молибден 4,8 14,4
никель 13 39
дуб 54 Перпендикулярно зерна
Ель Дугласа 27 75 радиальный
Ель Дугласа 45 75 тангенциальный
Ель Дугласа 3,5 75 параллельно зерна
платиновый 9 27
PP 150 450
ПВХ 52 156
Кварцевый ( конденсированный (чистое стекло) ) 0,59 1,77
альфа-кварц 12-16 / 6-9 Параллельно к оси / с-оси Т = от -50 до 150 ° С
Резинка спорный спорный см
Сапфир 5,3 Параллельно с осью С, или
Карбид кремния 2,77 8,31
кремний 2,56 9
Серебряный 18 54
Ситалл 0 ± 0,15 0 ± 0,45 в среднем за -60 ° C до 60 ° C
Нержавеющая сталь 10,1 ~ 17,3 30,3 ~ 51,9
Сталь 11.0 ~ 13.0 33,0 ~ 39,0 В зависимости от состава
титан 8,6 26
вольфрам 4.5 13,5
скипидар 90
вода 69 207
YbGaGe ≐0 ≐0 опровергнуты
Zerodur ≈0.007-0.1 при температуре от 0 … 50 ° С

Расширение в жидкостях

Теоретически, коэффициент линейного расширения может быть найден из коэффициента объемного расширения ( α V  ≈ 3 α ). Для жидкостей, α рассчитывается путем экспериментального определения & alpha ; V . Жидкости, в отличие от твердых веществ не имеют определенной формы , и они принимают форму контейнера. Следовательно, жидкости не имеют определенной длины и площади, поэтому линейные и площадные разложения жидкостей , не имеют никакого значения.

Жидкости в целом расширяться при нагревании. Однако вода является исключением из этого общего поведения: ниже 4 ° C она сжимается при нагревании. При более высокой температуре оно показывает нормальное положительное тепловое расширение. Тепловые разложения жидкости, как правило, выше, чем в твердых телах из-за слабые межмолекулярные силы, присутствующих в жидкости.

Тепловое расширение твердых тел обычно показывает небольшую зависимость от температуры (при низких температурах), тогда как, кроме жидкостей расширяться при различных скоростях при различных температурах.

Видимое и абсолютное расширение жидкости

Расширение жидкостей обычно измеряется в контейнере. Когда жидкость расширяется в сосуд, сосуд расширяется вместе с жидкостью. Таким образом, наблюдаемый рост объема уровня жидкости не фактическое увеличение его объема. Расширение жидкости относительно контейнера называются кажущимся расширением. фактическое расширение жидкости называется Real (или) Абсолютное расширение.
Отношение явного увеличения объема жидкости на единицу подъема температуры до первоначального объема называется коэффициентом расширения видимого.

Для малого и то же повышения температуры увеличения объема (реальное расширение) жидкости равно сумме очевидного увеличения объема (видимое расширение) жидкости и увеличения объема, содержащего судна. Таким образом, жидкость имеет два коэффициента расширения.

При измерении расширения жидкости, измерение должно учитывать расширение контейнера , а также. Например, колба , которая была построена с длинным узким стеблем , заполненный достаточным количеством жидкости , которая сам по себе стебель частично заполненный, при помещении в термостате первоначально будет показывать колонку жидкости в стволе упасть с последующей немедленным увеличением что в колонка до системы колбы-жидкость-термостат имеет термализуется. Первоначальное наблюдение столба жидкости сбрасывания не связано с начальным сжатием жидкости , а скорее расширение колбы , как он контактирует с первой тепловой бани. Вскоре после того, как жидкость в колбе нагревают с помощью самой колбы и начинает расширяться. Так как жидкости , как правило , имеют большее расширение над твердой фазой, жидкость в колбе в конечном итоге превышает колбу, в результате чего столба жидкости в колбе подняться. Непосредственное измерение высоты столба жидкости является измерением кажущегося расширения жидкости. Абсолютное расширение жидкости является очевидным расширением с поправкой на расширение содержащего судна.

Ссылка на основную публикацию