Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

12.8: Теплові напруги

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    74984

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    цілі навчання

    • Сформулюйте взаємозв'язок між тепловим напруженням та тепловим розширенням

    Теплове розширення

    Теплове розширення - це зміна розмірів або обсягу даної маси з температурою. Розширення спирту в градуснику - один з багатьох часто зустрічаються прикладів цього. Гаряче повітря піднімається, оскільки його обсяг збільшується, що призводить до того, що щільність гарячого повітря менша, ніж щільність навколишнього повітря, викликаючи плавучу (вгору) силу на гарячому повітрі. Те ж саме відбувається у всіх рідинях і газах, стимулюючи природну тепловіддачу вгору в будинках, океанах та погодних системах. Тверді речовини також піддаються тепловому розширенню. Залізничні колії та мости, наприклад, мають компенсаційні шви, що дозволяють їм вільно розширюватися і стискатися при перепадах температур.

    зображення

    Теплові компенсаційні шви: Такі теплові компенсаційні шви в мосту Окленд Харбор в Новій Зеландії дозволяють мостам змінювати довжину без вигин. (кредит: Інгольфсон, Вікісховище)

    Які основні властивості теплового розширення? По-перше, теплове розширення чітко пов'язане зі зміною температури. Чим більше зміна температури, тим більше буде прогинатися біметалічна смуга. По-друге, це залежить від матеріалу. У термометрі, наприклад, розширення спирту набагато більше, ніж розширення скла, що містить його.

    Що є основною причиною теплового розширення? Підвищення температури має на увазі збільшення кінетичної енергії окремих атомів. У твердому тілі, на відміну від газу, атоми або молекули тісно упаковані між собою, але їх кінетична енергія (у вигляді малих швидких коливань) відштовхує сусідні атоми або молекули один від одного. Це натискання сусіда-сусіда призводить до трохи більшої відстані, в середньому, між сусідами, і додає більшого розміру для всього тіла. Для більшості речовин у звичайних умовах немає бажаного напрямку, і збільшення температури збільшить розмір твердої речовини на певну частку в кожному вимірі.

    Щоб бути більш кількісним, зміна довжини ΔL пропорційно довжині L. Залежність теплового розширення від температури, речовини і довжини підсумовується в рівнянні

    \[\mathrm{ΔL=αLΔT}\]

    де ΔL - зміна довжини L, ΔT - зміна температури, а α - коефіцієнт лінійного розширення, який трохи змінюється в залежності від температури.

    Тепловий стрес

    Теплове напруження створюється тепловим розширенням або стисненням. Теплове напруження може бути руйнівним, наприклад, при розширенні бензину розриває бак. Він також може бути корисним, наприклад, коли дві деталі з'єднуються між собою, нагріваючи одну на виробництві, потім ковзаючи її над іншою і дозволяючи комбінації охолонути. Тепловий стрес може пояснити багато явищ, таких як вивітрювання гірських порід та тротуару розширенням льоду при його замерзанні.

    Сили і тиск, створювані тепловим напруженням, можуть бути досить великими. Залізничні колії та проїжджі частини можуть пристебнутися в спекотні дні, якщо їм не вистачає достатніх деформаційних швів. Лінії електропередач влітку просідають більше, ніж взимку, і будуть обриватися в холодну погоду, якщо буде недостатня слабину. Тріщини відкриваються і закриваються в штукатурці стін, як будинок прогрівається і охолоджується. Скляні каструлі будуть тріскатися, якщо охолоджуватися швидко або нерівномірно, через диференціальне стиснення і створюваних ним напружень. (Pyrex ® менш сприйнятливий через його малий коефіцієнт теплового розширення.) Судини під тиском ядерного реактора загрожують надмірно швидким охолодженням, і хоча жоден з них не вийшов з ладу, деякі з них були охолоджені швидше, ніж вважалося бажаним. Біологічні клітини розриваються при заморожуванні продуктів, зменшуючи їх смак. Повторне відтавання і заморожування підкреслює пошкодження. Навіть океани можуть постраждати. Значна частина підвищення рівня моря, що виникає в результаті глобального потепління, обумовлена тепловим розширенням морської води.

    Метал регулярно використовується в організмі людини для тазостегнових і колінних імплантатів. Більшість імплантатів потрібно замінити з часом, оскільки, крім усього іншого, метал не зв'язується з кісткою. Дослідники намагаються знайти кращі металеві покриття, які дозволили б склеювання між металом і кісткою. Одним із завдань є пошук покриття, яке має коефіцієнт розширення, подібний до коефіцієнта розширення металу. Якщо коефіцієнти розширення занадто різні, то термічні напруги в процесі виготовлення призводять до появи тріщин на стику покриття - метал.

    Ще один приклад термічного стресу виявляється в роті. Зубні пломби можуть розширюватися інакше, ніж зубна емаль. Це може давати біль при вживанні морозива або гарячого напою. У пломбі можуть виникнути тріщини. Металеві пломби (золото, срібло і т.д.) замінюються композитними пломбами (фарфоровими), які мають менші коефіцієнти розширення, і ближче до таких зубів.

    Ключові моменти

    • Теплове розширення - це зміна розмірів або обсягу даної маси зі зміною температури.
    • Підвищення температури передбачає збільшення кінетичної енергії окремих атомів, що збільшить розмір твердого тіла на певну частку в кожному вимірі.
    • Теплове напруження створюється при обмеженні теплового розширення.

    Ключові умови

    • напруга: Внутрішній розподіл сили на одиницю площі (тиску) всередині тіла, що реагує на прикладені сили, що викликає деформацію або деформацію і зазвичай символізується σ.
    • диференціал: Якісна або кількісна різниця між подібними або порівнянними речами.

    ЛІЦЕНЗІЇ ТА АВТОРСТВА

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ КОНТЕНТ, РАНІШЕ ДІЛИВСЯ

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ ВМІСТ, СПЕЦИФІЧНА АТРИБУЦІЯ