Коефициент на топлинно разширение

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към навигацията Направо към търсенето

Коефициент на топлинно (температурно) разширение[1] е величина от науката механика, част от физиката. Коефициентът характеризира относителното изменение на обема или на линейните размери на дадена материално тяло (било то твърдо или флуид) при увеличение на температурата с 1 K (или °C) при постоянно налягане. Размерността му е обратна на температурата. Съществуват коефициенти на линейно и на обемно разширение. Обикновено се бележат с гръцките букви α и β (съответно).

Коефициент на линейно топлинно разширение[редактиране | редактиране на кода]

Коефициентът представя относителното изменение на линейните размери на тялото, настъпващи в резултат на изменение на температурата му с 1 К при постоянно налягане.

, К −1 (°C−1)

В общия случай, коефициентът на линейно топлинно разширение може да е различен при измерване в различни направления. Например, при анизотропни кристали, както и при дървесината се измерват коефициенти на линейно разширение по трите взаимно перпендикулярни оси: . При изотропните тела и .

За желязото коефициентът на линейно разширение е равен на 11,3×10−6 K−1[2].

Коефициент на обемно топлинно разширение[редактиране | редактиране на кода]

Коефициентът се бележи с и е равен на относителното изменение на обема при модификация на температура с един градус.

=

Коефициентът на топлинно разширение при течностите и твърдите тела е сравнително малък по стойност и най-често е с положителен знак – телата увеличават обема си с повишение на температурата. При газовете обаче кохезионните сили между молекулите са слаби, поради което те силно изменят обема си с промяна на температурата.

Например, водата, в зависимост от температурата, има различни коефициенти на обемно разширение:

  • 0,53×10−4 К-1 (при температура 5 – 10 °C);
  • 1,50×10−4 К-1 (при температура 10 – 20 °C);
  • 3,02×10−4 К-1 (при температура 20 – 40 °C);
  • 4,58×10−4 К-1 (при температура 40 – 60 °C);
  • 5,87×10−4 К-1 (при температура 60 – 80 °C).

Някои материали при повишение на температурата не се разширяват, а обратно, свиват се, т.е. имат отрицателен коефициент на топлинно разширения. За някои вещества това се проявява в много тесен температурен интервал, както е например при водата – в интервала от 0 до +3,984 °С. За други вещества и материали, например скандиев флуорид (ScF3), циркониев волфрамат (ZrW2O8), някои полимери, подсилени с въглеродни влакна, интервалът е твърде широк. Подобно поведение демонстрира също и обикновената гума. При свръхниски температури аналогично е поведението на кварца, силиция и редица други материали. Съществуват също така инварни сплави, притежаващи в определен температурен диапазон коефициент на топлинно разширение, близък до нула.

Коефициенти на топлинно разширение за различни вещества[редактиране | редактиране на кода]

Коефициент на обемно топлинно разширение за полу-кристален полипропилен.
Коефициенти на линейно топлинно разширение за някои видове стомана.

За изотропни материали, коефициентите на линейно топлинно разширение α и обемно топлинно разширение αV са свързани чрез уравнението αV = 3α. За често срещани материали, като например много метали и съединения, коефициентът на топлинно разширение е обратнопропорционален на точката на топене.[3] В частност за металите, зависимостта е:

за халиди и оксиди

В таблицата по-долу, обхватът за α е от 10−7 K−1 за твърди тела до 10−3 K−1 за органични течности. Коефициентът α се изменя с температурата, а някои материали имат много големи колебания. Най-големият линеен коефициент за твърдо тяло е постигнат при сплав от Ti-Nb.[4]

Вещество Линеен
коефициент α
при 20 °C
(10−6 K−1)
Обемен
коефициент αV
при 20 °C
(10−6 K−1)
Забележки
Алуминий 23,1 69
Алуминиев нитрид 4,2 по оста a, 5,3 по оста c[5] 13,7 AlN е анизотропичен
Бензоциклобутен 42 126
Месинг 19 57
Въглеродна стомана 10,8 32,4
ППВВ – 0,8[6] анизотропичен посока на влакното
Бетон 12 36
Мед 17 51
Диамант 1 3
Етанол 250 750[7]
Галиев(III) арсенид 5,8 17,4
Бензин 317 950[8]
Стъкло 8,5 25,5
Боросиликатно стъкло 3,3 [9] 9,9 подходящ за запечатване на волфрам, молибден и ковар
Пирекс 3,2[10]
Глицерин 485[10]
Злато 14 42
Хелий 36,65[10]
Лед 51
Индиев фосфит 4,6 13,8
Инвар 1,2 3,6
Желязо 11,8 35,4
Каптон 20[11] 60 Каптон DuPont 200EN
Олово 29 87
Макор 9,3[12]
Магнезий 26 78
Живак 61 182[10][13]
Молибден 4,8 14,4
Никел 13 39
Дъб 54[14] перпендикулярно на зърното
Pseudotsuga menziesii 27[15] 75 радиално
Pseudotsuga menziesii 45[15] 75 тангенциално
Pseudotsuga menziesii 3,5[15] 75 успоредно на зърното
Платина 9 27
Полипропилен 150 450
PVC 52 156
Кварцово стъкло 0,59 1,77
Сапфир 5,3[16] успоредно на оста C или [001]
Силициев карбид 2,77[17] 8,31
Силиций 2,56[18] 9
Сребро 18[19] 54
Ситал 0±0,15[20] 0±0,45 средно от −60 °C до 60 °C
Неръждаема стомана 10,1 ~ 17,3 30,3 ~ 51,9
Стомана 11,0 ~ 13,0 33,0 ~ 39,0 в зависимост от състава
Титан 8,6 26[21]
Волфрам 4,5 13,5
Терпентин 90[10]
Вода 69 207[13]
Zerodur ≈0,007 – 0,1[22] при 0 – 50 °C

Вижте също[редактиране | редактиране на кода]

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. „Речник на научните термини“, Е. Б. Уваров, А. Айзакс, ИК „Петър Берон“, София, 1992
  2. Температурен коефициент на линейно разширение на портала Ti-temperatures.ru
  3. MIT Lecture Sheer and Thermal Expansion Tensors – Part 1
  4. Bönisch, Matthias и др. Giant thermal expansion and α-precipitation pathways in Ti-alloys. // Nature Communications 8. 10 ноември 2017. DOI:10.1038/s41467-017-01578-1. с. 1429.
  5. AlN thermal properties at Ioffe institute. //
  6. Study of Thermal Expansion in Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites. // Proceedings of SAMPE International Symposium. Charleston, SC, 2012.
  7. Young, Geller. Young and Geller College Physics. 8th. ISBN 0-8053-9218-1.
  8. Thermal Expansion. // Western Washington University.
  9. Technical Glasses Data Sheet (PDF). // schott.com.
  10. а б в г д Raymond Serway; John Jewett (2005), „Principles of Physics: A Calculus-Based Text“, Cengage Learning, p. 506, ISBN 0-534-49143-X, https://books.google.com/books?id=VaroJ5BNuZAC 
  11. DuPont™ Kapton® 200EN Polyimide Film. // matweb.com.
  12. Macor data sheet (PDF). // corning.com.
  13. а б Properties of Common Liquid Materials. //
  14. WDSC 340. Class Notes on Thermal Properties of Wood. // forestry.caf.wvu.edu.
  15. а б в The coefficients of thermal expansion of wood and wood products. 1956.
  16. Sapphire. // kyocera.com.
  17. Basic Parameters of Silicon Carbide (SiC). // Ioffe Institute.
  18. Becker, P. и др. The lattice parameter of highly pure silicon single crystals. // Zeitschrift für Physik B 48. 1982. DOI:10.1007/BF02026423. с. 17.
  19. Nave, Rod. Thermal Expansion Coefficients at 20 C. // Georgia State University.
  20. Sitall CO-115M (Astrositall). // Star Instruments.
  21. Thermal Expansion table
  22. Schott AG. //