Топлинно разширение: Разлика между версии

Редица материали се свиват при нагряване в определени температурни граници. Този феномен често се нарича ''отрицателно топлинно разширение'' или ''дилатометрична аномалия''. Например, коефициентът на топлинното разширение на водата спада до нула при 3,983 °C, след което става отрицателен под тази температура. Това означава, че водата има максимална [[плътност]] при тази температура и това кара водните басейни да поддържат тази температура в най-дълбоките си части през дълги периоди на метеорологични условия с температура на въздуха под 0 °C. Също така, относително чистият [[силиций]] има отрицателно т оплиннотоплинно разширение при температури между 18 и 120 [[Келвин|K]].<ref>{{cite book | editor1-first = William C. |editor1-last= O'Mara |editor2-first = Robert B. |editor2-last=Herring | editor3-first = Lee P. |editor3-last=Hunt| title = Handbook of semiconductor silicon technology| place = Park Ridge, New Jersey | publisher = Noyes Publications | year = 1990 | page = 431| url = https://books.google.com/?id=COcVgAtqeKkC&pg=PA431| isbn = 0-8155-1237-6 | accessdate =11 юли 2010| author =Bullis, W. Murray | chapter=Chapter 6 }}</ref>

Коефициентът на обемно топлинно разширение е най-основният коефициент и има най-голямо отношение към течностите. По принцип, веществата се разширяват или се свиват при промяна на температурата им, като въпросното разширение или свиване става във всички посоки. Веществата, които се разширяват с еднаква скорост във всички посоки се наричат [[Изотропия|изотропни]]. За изотропни материали, коефициентите на разширение на площта или обема са, съответно, двойно и трийнотройно по-големи от коефициента на линейно топлинно разширение.

В общия случай на газ, течност или твърдо тяло, обмениятобемният коефициент на топлинно разширение се изразява чрез:

Индексът ''p'' указва, че налягането е константно по време на разширението, а индексът ''V'' подчертатаподчертава, че става дума за обемно (не линейно) разширение в това общо определение. В случая на газ, фактът, че налягането е постоянно, е важен, тъй като обемът на газа би се изменил значително с промяна на налягането. За газ с ниска плътност това може да се види от закона за [[идеален газ]].

При изчисляването на топлинното разширение е нужно да се отчете дали тялото има свобода на разширение или е ограничено. Ако тялото е свободно за раширениеразширение, разширението или напрежението вследствие на покачване на температурата могат просто да бъдат изчислени използвайки приложим коефициент на топлинно разширение.

Линейно разширение ще рече промяна в една посока (дължина) за разлика от промяна в обема (обемно разширение). Към първо приближение, измерването на промяната в дължината на обект вследствие на топлинно разширение е свързано с температурната промяна чрез линеен коефициент. Това е частичната промяна в дължината на градус темепратурнатемпературна промяна. Считайки въздействието на налягане за пренебрежимо малко, е възможно да се запише:

където <math>\alpha_V(T)</math> е коефциентъткоефициентът на обемно разширение като функция от температурата ''T'', а <math>T_i</math>,<math>T_f</math> са съответно първоначалната и крайната температура.

Това съотношение се появява, тъй като обемът е съставен от три взаимно [[Ортогоналност|ортогонални]] посоки. Следователно, в изотропичен материал, за малки промени една трета от обемното разширение е по една ос. Например, в случая със стоманен куб със страна ''L'', първоначалният обем ще е <math>V=L^3</math>, а новият обем след покачване на темпратурататемпературата ще е:

Разширението и свиването на материалите трябва да се взимат предвид, когато се проектират големи съоръжения, когато се използва лента или верига за измерване на разстояния за геодезичнигеодезни проучвания, когато се проектират форми за леене на горещи материали и в други инженерни приложения, когато се очакват големи изменения в размерите, дължащи се на температурата.

Съществуват някои [[сплав]]и с много малък коефициент на линейно разширение, които се използват, когато са нужни само много малки отклонения във физическите размери в рамките на големи температурни граници. Такава сплав е [[инвар]]ът, чийто ''α'' е приблизителнприблизително оравенравен на 0,6 × 10⁻⁶ K⁻¹. Такива сплави са особено полезни в техниката на космическите полети, където могат да настъпят много широки температурни колебания.

Контролирането на топлинното разширение у крехките материали е осовнаосновна грижа, поради ред причини. Нпаример, както стъклото, така и керамиката са чупливи и неравномерната температура причинява неравно разширение, което причинява топлинно напрежение, което може да доведе до пропукване. Керамичните материали могат да се употребяват с широк набор от други материали и следователно тяхното разширение трябва да съответства на приложението им. Тъй като глазурите трябва да са здраво свързани към порцелана под тях, тяхното топлинно разширение трябва да се нагоди да напасва тялото, така че да не възникват микромукнатинимикропукнатини. Добър пример за продукт, чието топлинно разширение е ключът към успеха му, е [[Запалителна свещ|запалителната свещ]]. Топлинното разширение на керамичните тела може да се контролира чрез печене, което създава кристали, влияещи на общото разширение на материала в желаната посока. Топлинното разширение на глазурите се влияе от техния химичен състав и честотата на печене, на което са подложени.