Contenido
- TL; DR (demasiado largo; no leído)
- Aplicación de la expansión en física
- Aplicaciones de la expansión térmica de sólidos en la vida diaria
- Expansión Térmica de la Termodinámica
- Tensores en expansión
- Aplicación de expansión y contracción
- Temperaturas de precalentamiento de expansión
- Variación de expansión térmica entre materiales
- Expansión térmica por estado de la materia
Los ferrocarriles y puentes pueden necesitar juntas de expansión. Las tuberías metálicas de calentamiento de agua caliente no deben usarse en longitudes largas y lineales. Los microscopios electrónicos de escaneo necesitan detectar cambios mínimos de temperatura para cambiar su posición con respecto a su punto de enfoque. Los termómetros líquidos usan mercurio o alcohol, por lo que fluyen en una sola dirección a medida que el líquido se expande debido a los cambios de temperatura. Cada uno de estos ejemplos demuestra cómo los materiales se expanden en longitud bajo calor.
TL; DR (demasiado largo; no leído)
La expansión lineal de un sólido bajo un cambio de temperatura se puede medir usando Δℓ / ℓ = αΔT y tiene aplicaciones en la forma en que los sólidos se expanden y contraen en la vida cotidiana. La tensión que sufre el objeto tiene implicaciones en la ingeniería al ajustar objetos entre sí.
Aplicación de la expansión en física
Cuando el material sólido se expande en respuesta a un aumento de temperatura (expansión térmica), puede aumentar su longitud en un proceso conocido como expansión lineal.
Para un sólido de longitud ℓ, puede medir la diferencia de longitud Δℓ debido a un cambio en la temperatura ΔT para determinar α, el coeficiente de expansión térmica para el sólido de acuerdo con la ecuación: Δℓ / ℓ = αΔT para un ejemplo de aplicación de expansión y contracción.
Sin embargo, esta ecuación supone que el cambio de presión es insignificante para un pequeño cambio fraccional de longitud. Esta relación de Δℓ / ℓ también se conoce como deformación del material, denotada como ϵtérmico. La deformación, una respuesta de los materiales al estrés, puede hacer que se deforme.
Puede utilizar los coeficientes de ingeniería de cajas de herramientas de expansión lineal para determinar la tasa de expansión de un material en proporción a la cantidad de ese material. Puede decirle cuánto se expande un material en función de la cantidad de ese material que tiene, así como la cantidad de cambio de temperatura que aplica para una aplicación de expansión en física.
Aplicaciones de la expansión térmica de sólidos en la vida diaria
Si desea abrir un frasco hermético, puede pasarlo bajo agua caliente para expandir ligeramente la tapa y facilitar su apertura. Esto se debe a que, cuando se calientan sustancias, como sólidos, líquidos o gases, su promedio sube la energía cinética molecular. La energía promedio de los átomos que vibran dentro del material aumenta. Esto aumenta la separación entre átomos y moléculas que hace que el material se expanda.
Si bien esto puede causar cambios de fase, como la fusión del hielo en agua, la expansión térmica es generalmente un resultado más directo del aumento de la temperatura. Utiliza el coeficiente lineal de expansión térmica para describir esto.
Expansión Térmica de la Termodinámica
Los materiales pueden expandirse o contraerse en respuesta a estos cambios químicos, trayendo un cambio a gran escala en el tamaño de estos procesos químicos y termodinámicos a pequeña escala de la misma manera que los puentes y edificios pueden expandirse bajo calor extremo. En ingeniería, puede medir el cambio en la longitud de una sustancia sólida debido a la expansión térmica.
Material anisotrópicos, los que varían en su sustancia entre diferentes direcciones, pueden tener diferentes coeficientes de expansión lineal dependiendo de la dirección. En estos casos, puede usar tensores para describir la expansión térmica como un tensor, una matriz que describe el coeficiente de expansión térmica en cada dirección: x, y y z.
Tensores en expansión
Policristalino Los materiales que forman vidrio con coeficientes de expansión térmica microscópica cercanos a cero son muy útiles para refractarios como hornos e incineradores. Los tensores pueden describir estos coeficientes teniendo en cuenta diferentes direcciones de expansión lineal en estos materiales anisotrópicos.
Cordierita, un material de silicato que tiene un coeficiente de expansión térmica positivo y uno negativo significa que su tensor describe un cambio de volumen esencialmente cero. Eso lo convierte en una sustancia ideal para refractarios.
Aplicación de expansión y contracción
Un arqueólogo noruego teorizó que los vikingos usaron la expansión térmica de cordierita para ayudarlos a navegar por los mares hace siglos. En Islandia, con grandes cristales transparentes de cordierita, utilizaron piedras solares hechas de cordierita que podían polarizar la luz en una determinada dirección solo en ciertas orientaciones del cristal para permitirles navegar en días nublados y nublados. Como los cristales se expandirían en longitud incluso con un bajo coeficiente de expansión térmica, mostraron un color brillante.
Los ingenieros deben considerar cómo se expanden y contraen los objetos al diseñar estructuras como edificios y puentes. Cuando miden distancias para prospecciones de tierra o diseñan moldes y recipientes para materiales calientes, deben tener en cuenta cuánto se puede expandir la tierra o un vidrio en respuesta a los cambios de temperatura que experimentan.
Termostatos confíe en las tiras bimetálicas de dos tiras finas diferentes de metales colocadas una sobre la otra, por lo que una se expande mucho más significativamente que la otra debido a los cambios de temperatura. Esto hace que la tira se doble y, cuando lo hace, cierra el circuito de un circuito eléctrico.
Esto hace que el aire acondicionado arranque y, al cambiar los valores de los termostatos, cambia la distancia entre la tira para cerrar el circuito. Cuando la temperatura externa alcanza su valor deseado, el metal se contrae para abrir el circuito y detener el aire acondicionado. Este es uno de los muchos usos de ejemplo de expansión y contracción.
Temperaturas de precalentamiento de expansión
Al precalentar los componentes metálicos entre 150 ° C y 300 ° C, se expanden, por lo que se pueden insertar en otro compartimento, un proceso conocido como ajuste por contracción por inducción. Los métodos de UltraFlex Power Technologies han implicado el aislamiento de teflón de ajuste por contracción por inducción en un cable calentando una tubería de acero inoxidable a 350 ° C utilizando una bobina de inducción.
La expansión térmica se puede utilizar para medir la saturación de sólidos entre los gases y líquidos que absorbe con el tiempo. Puede configurar un experimento para medir la longitud de un bloque seco antes y después de dejar que absorba agua con el tiempo. El cambio de longitud puede dar el coeficiente térmico de expansión. Esto tiene un uso práctico para determinar cómo los edificios se expanden con el tiempo cuando se exponen al aire.
Variación de expansión térmica entre materiales
Los coeficientes lineales de expansión térmica varían como un inverso del punto de fusión de esa sustancia. Los materiales con puntos de fusión más altos tienen coeficientes de expansión térmica lineal más bajos. Los números varían desde aproximadamente 400 K para azufre hasta aproximadamente 3.700 para tungsteno.
El coeficiente de expansión térmica también varía según la temperatura del material en sí (particularmente si se ha cruzado la temperatura de transición vítrea), la estructura y la forma del material, cualquier aditivo involucrado en el experimento y la posible reticulación entre los polímeros del sustancia.
Polímeros amorfos, los que no tienen estructuras cristalinas, tienden a tener coeficientes de expansión térmica más bajos que los semicristalinos. Entre el vidrio, el vidrio de óxido de silicio, calcio y sodio o el vidrio de silicato de cal sodada, tiene un coeficiente bastante bajo de 9 donde el vidrio de borosilicato, utilizado para fabricar objetos de vidrio es 4.5.
Expansión térmica por estado de la materia
La expansión térmica varía entre sólidos, líquidos y gases. Los sólidos generalmente mantienen su forma a menos que estén limitados por un contenedor. Se expanden a medida que su área cambia con respecto a su área original en un proceso llamado expansión areal o expansión superficial, así como su volumen cambia con respecto al volumen original a través de la expansión volumétrica. Estas diferentes dimensiones le permiten medir la expansión de sólidos en muchas formas.
Es mucho más probable que la expansión líquida tome la forma del contenedor, por lo que puede usar la expansión volumétrica para explicar esto. El coeficiente lineal de expansión térmica para sólidos es α, el coeficiente para líquidos es β y la expansión térmica de los gases es la ley ideal de los gases. PV = nRT por presión PAGSvolumen V, número de moles norte, constante de gas R y temperatura T.