การใช้การขยายตัวทางความร้อนในเทคโนโลยี การใช้ตัวขยายต่างๆ ในชีวิตประจำวัน เรากำหนดลักษณะการขยายตัวทางความร้อนของของแข็ง

ที.ไอ.แรดเชนโก้(โรงเรียน№ 26, Vladikavkaz),
IV SILAEV(มหาวิทยาลัยแห่งรัฐ North Ossetian)
[ป้องกันอีเมล] ,
วลาดิคัฟคัซ นอร์ทออสซีเชีย อาลาเนีย)

การขยายตัวทางความร้อนของของแข็ง

เส้นผ่านศูนย์กลางของรูในจานกลมจะเปลี่ยนไปเมื่อถูกความร้อนหรือไม่?

(คำถามถูกเสนอโดยหนังสือพิมพ์ "ฟิสิกส์" ในฉบับที่ 11/06)

ตัวอย่างทางวิศวกรรม

เส้นผ่านศูนย์กลางของรูจะเพิ่มขึ้นเมื่อถูกความร้อน พบการประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยี ตัวอย่างเช่น ในเครื่องยนต์ของรถยนต์ VAZ-1111, Tavria ZAZ-1102 เป็นต้น ลูกสูบแต่ละตัวจะเชื่อมต่อกับหัวบนของก้านสูบแบบหมุนโดยใช้หมุดลูกสูบ (ท่อเหล็ก) ซึ่งสอดเข้าไปในรูที่เกี่ยวข้อง ของลูกสูบและก้านสูบ ในกรณีนี้ หมุดจะยึดที่หัวส่วนบนของก้านสูบด้วยความร้อนพอดี ทำให้ส่วนบนของก้านสูบร้อน เมื่อเย็นตัวลง เส้นผ่านศูนย์กลางของรูในหัวจะลดลง และหมุดยึดแน่น ซึ่งช่วยขจัดการเคลื่อนไหวตามยาวและการก่อตัวของการให้คะแนนบนผนังกระบอกสูบเมื่อลูกสูบตอบสนอง

ในทำนองเดียวกัน แหวนหนีบที่อุ่นไว้ล่วงหน้าจะติดอยู่กับเพลาเพลาที่เชื่อมต่อส่วนต่างกับล้อขับเคลื่อน ตัวอย่างเช่น ในรถยนต์ Volga และ Zhiguli (ดิฟเฟอเรนเชียลเป็นอุปกรณ์ที่ช่วยให้ล้อขับเคลื่อนของรถหมุนด้วยความถี่ต่างๆ กัน เช่น เมื่อเข้าโค้ง เมื่อล้อด้านในใกล้กับจุดศูนย์กลางการเลี้ยวมากที่สุดจะอยู่ในวงกลมที่มีรัศมีน้อยกว่าวงนอก ) ปลายด้านนอกของเพลาเพลา (พร้อมล้อรถ) ติดตั้งอยู่บนตลับลูกปืน วงแหวนรอบนอกซึ่งยึดไว้อย่างแน่นหนา เพลาเพลาหมุนพร้อมกับวงแหวนด้านในของลูกปืน เพื่อไม่ให้เพลาเพลาหลุดออกจากตลับลูกปืนเนื่องจากการกระจัดตามยาว จึงมีวงแหวนหนีบไว้ แหวนนี้วางบนเพลาหมุนตามไปด้วย ปลอกแกนเพลาปิดและยึดกับตลับลูกปืนคงที่ผ่านวงแหวนสปริง ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้แกนล้อเลื่อนออกจากแกนตามยาวของรถ

ตัวอย่างสามารถดำเนินต่อไป...

ฟิสิกส์ของการขยายตัวทางความร้อน

ให้เราพิจารณาคำถามจากมุมมองของฟิสิกส์ ลองนึกภาพว่าหลุมนั้นประกอบด้วยอะตอมหรือโมเลกุลแปดตัว (ต่อไปเราจะพูดถึง อนุภาค). อนุภาคของวัตถุที่เป็นของแข็งส่วนใหญ่จะแกว่งไปมารอบๆ ตำแหน่งสมดุลและกระโดดไปยังที่อื่นค่อนข้างน้อย - เวลาของชีวิต "ตกตะกอน" อยู่ที่ 0.1–0.001 วินาทีแม้ใกล้กับจุดหลอมเหลว และที่อุณหภูมิต่ำกว่านั้นเป็นเวลาหลายชั่วโมงและหลายวันแล้ว (จำได้ว่า เกี่ยวกับอัตราการแพร่ในของแข็ง) ดังนั้นจำนวนอนุภาคที่อยู่ในกรอบของรูจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลงจนกว่าการเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวจะเริ่มต้นขึ้น เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น พิสัยของการแกว่งของแต่ละอนุภาคจะเพิ่มขึ้น จะใช้พื้นที่ในอวกาศมากขึ้น ดังนั้นเส้นผ่านศูนย์กลางของรูจะเพิ่มขึ้น อนุภาคไม่สามารถเข้าใกล้กันได้เพราะ ในเวลาเดียวกันพวกเขาจะเริ่ม "ทับซ้อนกัน"

เพื่อให้คำอธิบายทางวิทยาศาสตร์ คุณต้องจำกราฟของการพึ่งพาความแรงของปฏิสัมพันธ์ Fอนุภาคจากระยะไกล rระหว่างอนุภาคเหล่านี้ ได้มาจากการเพิ่มพิกัดของจุดที่สอดคล้องกันของเส้นโค้งบน II ซึ่งอธิบายแรงผลัก และเส้นโค้งล่าง I ซึ่งอธิบายแรงดึงดูด เส้นโค้งที่ได้ III มีรูปร่างค่อนข้างซับซ้อนตั้งแต่ แรงขับไล่แปรผกผันกับกำลังสิบสามของระยะทาง และแรงดึงดูดคือพลังที่เจ็ด Curve IV มีลักษณะคล้ายกัน แสดงการพึ่งพาระยะทางของพลังงานศักย์ Ep. อยู่ในตำแหน่งที่สมดุล r 0 เส้นโค้ง III ผ่านศูนย์ (ผลลัพธ์ของแรงที่ใช้คือศูนย์) และเส้นโค้ง IV ผ่านจุดต่ำสุด (หลุมศักยภาพ) นี่คือตำแหน่งสมดุลที่มั่นคง และเมื่อระยะห่างระหว่างอนุภาคลดลง จะทำงานต่อแรงผลัก ซึ่งจะนำไปสู่การลดลงของพลังงานจลน์ของอนุภาคเป็นศูนย์ ดังนั้น "ผลกระทบ" ของหนึ่ง อนุภาคอื่นเช่นลูกบิลเลียดจะไม่เกิดขึ้น

โดยรวมแล้ว การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคถือเป็นการสั่นใกล้จุดศูนย์กลาง ซึ่งอยู่ห่างจากกันอย่างสมดุล ซึ่งแตกต่างกันไปตามสารต่างๆ ปริมาตรอิสระในของเหลวประมาณ 29% ของปริมาตรทั้งหมด และในของแข็งสูงถึง 26% "โมเลกุล (อะตอม) ของของแข็งนั้นหนาแน่นจนเปลือกอิเล็กตรอนของพวกมันสัมผัสและบางครั้งก็ทับซ้อนกัน" เห็นได้ชัดว่าเป็นการถูกต้องมากกว่าที่จะพูดเกี่ยวกับตำแหน่งที่ไม่ใช่ของโมเลกุลเอง แต่ของจุดศูนย์กลาง

มาดูเส้นโค้ง IV กันอีกครั้ง ความลึกของหลุมที่มีศักยภาพเป็นตัวกำหนดพลังงานยึดเหนี่ยวของโมเลกุล โปรดทราบว่าเส้นโค้งไม่สมมาตรเกี่ยวกับจุดต่ำสุด “ด้วยเหตุนี้ การสั่นของอนุภาครอบตำแหน่งสมดุลเพียงเล็กน้อยเท่านั้นจึงจะมีลักษณะฮาร์มอนิก ด้วยการเพิ่มขึ้นของแอมพลิจูดของการแกว่ง (ซึ่งเกิดขึ้นพร้อมกับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น) ความไม่สอดคล้องกัน (เช่น การเบี่ยงเบนของการแกว่งจากฮาร์มอนิก) จะเด่นชัดมากขึ้น ส่งผลให้ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างอนุภาคเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ปริมาตรเพิ่มขึ้น “ที่อุณหภูมิต่ำกว่า โมเลกุลจะสั่นรอบจุด อาภายในเซ็กเมนต์ อา 1 อา 2. ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลที่มีปฏิสัมพันธ์ (เราวางโมเลกุลที่สองไว้ที่จุดกำเนิดของพิกัด) คือ r 0 . เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น พลังงานสั่นสะเทือนจะเพิ่มขึ้น ตอนนี้โมเลกุลสั่นภายในปล้อง วี 1 วี 2. ตำแหน่งสมดุลตรงกับกึ่งกลางของส่วน วี 1 วี 2 คือ จุด วี» . ดังนั้นแม้ว่าแอมพลิจูดของการแกว่งจะมีขนาดเล็ก เนื่องจากความไม่สอดคล้องกัน การสั่นแต่ละครั้งไม่เป็นอิสระ แต่มีความเกี่ยวข้องกัน ดังนั้น r 0 (ระยะทางที่ผลรวมของแรงดึงดูดและแรงผลักของสองโมเลกุลเท่ากับศูนย์) เริ่มเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

การบัญชีสำหรับการนำความร้อนและการขยายตัวทางความร้อนของของแข็งสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในของรถยนต์

ต้องคำนึงถึงการขยายตัวทางความร้อนในเทคโนโลยีตลอดเวลา ถ้าเรานำลูกสูบที่กล่าวถึงใน เครื่องยนต์ยานยนต์แล้วจะมีตัวเลือกหลายอย่างพร้อมกัน ตัวอย่างเช่น หัวลูกสูบ (ส่วนบน) มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่ากระโปรง (ส่วนล่าง) เล็กน้อยเพราะ หัวสัมผัสโดยตรงกับก๊าซร้อน มันร้อนขึ้นและขยายตัวมากขึ้น ในกรณีนี้ วิศวกรต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดสองข้อที่ไม่เกิดร่วมกัน ในอีกด้านหนึ่ง จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการผนึกที่ดีระหว่างลูกสูบกับกระบอกสูบ และในทางกลับกัน เพื่อหลีกเลี่ยงลูกสูบติดขัดเมื่อถูกความร้อน เพื่อจุดประสงค์นี้จะทำร่องรอบ ๆ หัวซึ่งวางวงแหวนพิเศษ: การบีบอัดและมีดโกนน้ำมัน

แหวนอัดมีบาดแผลที่เรียกว่า ล็อคซึ่งช่วยให้ปิดผนึกช่องว่างโดยไม่ทำให้ลูกสูบติดขัด การติดขัดยังได้รับการป้องกันโดยรูปร่างพิเศษของกระโปรงลูกสูบ - ในรูปแบบของวงรีซึ่งแกนหลักซึ่งตั้งฉากกับแกนของหมุดลูกสูบและอยู่ในระนาบการกระทำของแรงด้านข้าง เป็นผลให้ทั้งการเคาะเมื่อเครื่องยนต์เย็นและกระโปรงเกาะติดเมื่อถูกความร้อนจะถูกกำจัด: วงรีจะกลายเป็นวงกลมและลูกสูบยังคงเคลื่อนที่อย่างอิสระภายในกระบอกสูบ

นอกจากนี้ยังสามารถป้องกันการติดขัดได้ด้วยการตัดค่าชดเชยในกระโปรง: เฉียง รูปตัว T รูปตัวยู เนื่องจากการขยายตัวของโลหะเมื่อถูกความร้อนจะไม่ทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางลูกสูบเพิ่มขึ้น สามารถลดความร้อนของแหวนอัดลูกสูบส่วนบนได้เนื่องจากมีการกลึงร่องในลูกสูบหรือสายพานกันไฟที่ป้องกันความร้อนเพิ่มเติมจากส่วนบนของหัวลูกสูบซึ่งได้รับความร้อนจากก๊าซร้อนในกระบอกสูบ

เพื่อการระบายความร้อนที่ดีขึ้นจากลูกสูบและกระบอกสูบ ทั้งตัวลูกสูบเองและหัวกระบอกสูบทำจากอะลูมิเนียมอัลลอยซึ่งมีการนำความร้อนได้ดี มีเครื่องยนต์ที่หล่อบล็อกกระบอกสูบทั้งหมดจากโลหะผสมอลูมิเนียม นอกจากนี้ยังมีระบบระบายความร้อนพิเศษ (อากาศหรือของเหลว) ตัวอย่างเช่น สิ่งที่เรียกว่า เสื้อระบายความร้อนระบบของเหลวช่วยระบายความร้อนออกจากกระบอกสูบและห้องเผาไหม้

วรรณกรรม

1. Plekhanov I.P.รถยนต์. – ม.: การตรัสรู้, 1984.

2. Shestopalov K.S.,Demikhovsky S.F.รถ. – ม.: DOSAAF, 1989.

3. Podgornova I.I. ฟิสิกส์โมเลกุลใน มัธยม. - ม.: การศึกษา, 1970.

4. เบอร์เกอร์ N.M. การศึกษาปรากฏการณ์ความร้อนในวิชาฟิสิกส์ระดับมัธยมศึกษาตอนปลาย – ม.: การตรัสรู้, 1981.

5. Shamash S.Ya.วิธีการสอนฟิสิกส์ในชั้นมัธยมศึกษาตอนปลาย - ม.: การศึกษา, 2518.

6. Bludov M.I.บทสนทนาเกี่ยวกับฟิสิกส์ – ม.: การตรัสรู้, 1992.

7. Saveliev A.V.หลักสูตรฟิสิกส์ทั่วไป: ต. 1 - ม.: Nauka, 1970.

8. พจนานุกรมสารานุกรมทางกายภาพ: เอ็ด. Prokhorova น. - ม.: สารานุกรมโซเวียต, 1984.

การขยายตัวทางความร้อนคือการเปลี่ยนแปลงขนาดและปริมาตรของร่างกายภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิ

เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ขนาดของของแข็งก็จะเปลี่ยนไป การขยายตัวภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิมีลักษณะโดย ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้น.

การเปลี่ยนแปลงในขนาดเชิงเส้นของร่างกายอธิบายโดยสูตร: l \u003d l 0 (1 + α ⋅ Δ T) ที่ไหน

ล. - ความยาวลำตัว;

l 0 - ความยาวลำตัวเริ่มต้น

α - สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้น

ΔT คือความแตกต่างของอุณหภูมิ

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงความร้อนเชิงเส้นแสดงให้เห็นว่าส่วนใดของความยาวหรือความกว้างเดิมที่ขนาดของวัตถุจะเปลี่ยนแปลง หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศา

ตัวอย่าง:

\(10\) กม.รางรถไฟที่มีอุณหภูมิอากาศเพิ่มขึ้น \(9\) องศา (เช่นจาก \(-5\) ถึง \(+4\)) ยาวขึ้น 10,000 ⋅ 0.000012 ⋅ 9 \u003d 1, 08 เมตร ด้วยเหตุนี้ จึงเกิดช่องว่างระหว่างส่วนรางรถไฟ

ต้องคำนึงถึงการขยายตัวทางความร้อนด้วยในท่อที่ใช้ ตัวชดเชย- ท่องอซึ่งสามารถงอได้หากจำเป็นเมื่ออุณหภูมิของอากาศเปลี่ยนแปลง รูปแสดงให้เห็นว่าจะเกิดอะไรขึ้นหากไม่มีตัวชดเชย

วิศวกรที่ออกแบบสะพาน อุปกรณ์ อาคารที่อาจมีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจำเป็นต้องรู้ว่าวัสดุใดบ้างที่สามารถเชื่อมเข้าด้วยกันได้ เพื่อไม่ให้เกิดรอยร้าว

ช่างไฟฟ้าที่ติดตั้งสายไฟจะต้องตระหนักถึงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่สายไฟจะเผชิญ หากสายไฟถูกยืดออกในฤดูร้อน สายไฟจะขาดในฤดูหนาว

ในระหว่างการขยายตัวทางความร้อนของโลหะจะใช้สวิตช์อัตโนมัติของอุปกรณ์ระบายความร้อน สวิตช์นี้ประกอบด้วยแผ่นโลหะที่แตกต่างกันสองแผ่นที่เชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนา (โดยมีค่าสัมประสิทธิ์ทางความร้อนต่างกัน) แผ่น Bimetalภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิพวกมันงอหรือยืดตรงปิดหรือเปิดวงจรไฟฟ้า

ด้วยการเปลี่ยนแปลงขนาดเชิงเส้น ปริมาตรของร่างกายก็เปลี่ยนไปเช่นกัน การเปลี่ยนแปลงของปริมาตรของร่างกายอธิบายโดยสูตรที่คล้ายกับสูตรการขยายตัวเชิงเส้น แต่แทนที่จะเป็นค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้น ค่าสัมประสิทธิ์ความร้อนเชิงปริมาตรนามสกุล.

การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของร่างกายภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมินั้นอธิบายโดยสูตร: V = V 0 (1 β ⋅ Δ T) โดยที่

V คือปริมาตรของร่างกาย

V 0 - ปริมาตรเริ่มต้นของร่างกาย

β - สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงปริมาตร

ΔT คือความแตกต่างของอุณหภูมิ

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงปริมาตรแสดงส่วนใดของปริมาตรเริ่มต้นที่ปริมาตรของร่างกายจะเปลี่ยนแปลงหลังจากอุณหภูมิสูงขึ้น 1 องศา

จากย่อหน้าก่อนหน้านี้ เรารู้ว่าสารทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาค (อะตอม โมเลกุล) อนุภาคเหล่านี้เคลื่อนที่แบบสุ่มอย่างต่อเนื่อง เมื่อสารได้รับความร้อน การเคลื่อนที่ของอนุภาคจะเร็วขึ้น ในกรณีนี้ ระยะห่างระหว่างอนุภาคจะเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้ร่างกายมีขนาดเพิ่มขึ้น

การเปลี่ยนแปลงขนาดของร่างกายเมื่อถูกทำให้ร้อนเรียกว่าการขยายตัวทางความร้อน.

การขยายตัวทางความร้อนของของแข็งนั้นง่ายต่อการยืนยันโดยการทดลอง ลูกเหล็ก (รูปที่ 87, a, b, c) ผ่านวงแหวนได้อย่างอิสระหลังจากให้ความร้อนกับตะเกียงวิญญาณจะขยายตัวและติดอยู่ในวงแหวน หลังจากเย็นตัวแล้วลูกบอลจะผ่านวงแหวนอีกครั้งอย่างอิสระ จากประสบการณ์ตรงที่ว่ามิติของร่างกายที่แข็งจะเพิ่มขึ้นเมื่อถูกความร้อน และลดลงเมื่อถูกทำให้เย็นลง

ข้าว. 87

การขยายตัวทางความร้อนของของแข็งต่างๆ ไม่เหมือนกัน.

ระหว่างการขยายตัวด้วยความร้อนของของแข็ง กองกำลังขนาดใหญ่สามารถทำลายสะพาน รางรถไฟโค้งงอ และสายไฟขาดได้ เพื่อป้องกันไม่ให้สิ่งนี้เกิดขึ้น ปัจจัยของการขยายตัวทางความร้อนจะถูกนำมาพิจารณาเมื่อออกแบบโครงสร้าง สายไฟลดลง (รูปที่ 88) ดังนั้นในฤดูหนาวเมื่อสั้นลงแล้วจะไม่แตกหัก

ข้าว. 88

ข้าว. 89

รางที่ข้อต่อมีช่องว่าง (รูปที่ 89) ส่วนแบริ่งของสะพานวางอยู่บนลูกกลิ้งที่สามารถเคลื่อนที่ได้เมื่อความยาวของสะพานเปลี่ยนไปในฤดูหนาวและฤดูร้อน (รูปที่ 90)

ข้าว. 90

ของเหลวขยายตัวเมื่อถูกความร้อนหรือไม่? นอกจากนี้ยังสามารถยืนยันการขยายตัวทางความร้อนของของเหลวได้ด้วยการทดลอง เทลงในขวดเดียวกัน: ในน้ำหนึ่งและอีกขวดหนึ่ง - แอลกอฮอล์ในปริมาณเท่ากัน เราปิดขวดด้วยจุกพร้อมหลอด เราทำเครื่องหมายระดับเริ่มต้นของน้ำและแอลกอฮอล์ในหลอดด้วยวงแหวนยาง (รูปที่ 91, a) เราใส่ขวดในภาชนะที่มีน้ำร้อน ระดับน้ำในท่อจะสูงขึ้น (รูปที่ 91, b) น้ำและแอลกอฮอล์ขยายตัวเมื่อถูกความร้อน แต่ระดับในหลอดขวดที่มีแอลกอฮอล์สูงกว่า แอลกอฮอล์จึงขยายตัวมากขึ้น เพราะฉะนั้น, การขยายตัวทางความร้อนของของเหลวต่างๆเช่นเดียวกับของแข็ง ไม่เท่ากัน.

ข้าว. 91

ก๊าซมีการขยายตัวทางความร้อนหรือไม่? เราจะตอบคำถามด้วยความช่วยเหลือจากประสบการณ์ เราปิดขวดด้วยอากาศด้วยจุกที่มีท่อโค้ง ในหลอด (รูปที่ 92, a) มีของเหลวหยดหนึ่ง การนำมือเข้าใกล้ขวดมากขึ้นก็เพียงพอแล้วเนื่องจากหยดเริ่มเคลื่อนไปทางขวา (รูปที่ 92, b) สิ่งนี้เป็นการยืนยันการขยายตัวทางความร้อนของอากาศเมื่อได้รับความร้อนเพียงเล็กน้อย ยิ่งไปกว่านั้น ซึ่งสำคัญมาก เมื่อถูกความร้อน ก๊าซทุกชนิดไม่เหมือนของแข็งและของเหลว ขยายเท่าๆ กัน.

ข้าว. 92

คิดแล้วตอบ 1. อะไรเรียกว่าการขยายตัวทางความร้อนของร่างกาย? 2. ยกตัวอย่างการขยายตัวทางความร้อน (การบีบอัด) ของของแข็ง ของเหลว ก๊าซ 3. การขยายตัวทางความร้อนของก๊าซแตกต่างจากการขยายตัวทางความร้อนของของแข็งและของเหลวอย่างไร?

ทำเองได้ที่บ้าน

ใช้ขวดพลาสติกและหลอดคั้นน้ำผลไม้แบบบางเพื่อทดสอบการขยายตัวทางความร้อนของอากาศและน้ำที่บ้าน อธิบายผลการทดลองลงในสมุดบันทึก

น่ารู้!

อย่าดื่มน้ำเย็นทันทีหลังจากชาร้อน การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างกะทันหันมักทำให้ฟันผุ นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าสารหลักของฟัน - เนื้อฟัน - และเคลือบฟันที่เคลือบฟันจะขยายตัวแตกต่างกันเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงเท่ากัน

ข้าว. 9.5
ต้องคำนึงถึงการขยายตัวทางความร้อนของร่างกายเมื่อออกแบบโครงสร้างต่างๆ จำเป็นต้องใช้มาตรการเพื่อให้ร่างกายสามารถขยายหรือหดตัวได้อย่างอิสระเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง
เป็นไปไม่ได้ ตัวอย่างเช่น ดึงสายโทรเลขให้แน่น เช่นเดียวกับสายไฟ (สายไฟ) ระหว่างส่วนรองรับ ในช่วงฤดูร้อน สายไฟที่หย่อนคล้อยจะมากกว่าในฤดูหนาวอย่างเห็นได้ชัด
ท่อไอน้ำโลหะเช่นเดียวกับท่อน้ำร้อนต้องมีส่วนโค้ง (ตัวชดเชย) ในรูปแบบของลูป (รูปที่ 9.6)
ความเครียดภายในก็ทำได้ ^^
ชื่อเล่นที่มีความร้อนไม่สม่ำเสมอ yG L
ร่างกายที่เป็นเนื้อเดียวกัน ตัวอย่างเช่น แก้ว - ฉัน ฉัน
ขวดหรือแก้วที่ทำจากแก้วหนาอาจแตกได้หากเทน้ำร้อนลงไป ก่อนอื่น 9.6 1. ความร้อนของชิ้นส่วนภายในของเรือเมื่อสัมผัสกับน้ำร้อน พวกเขาขยายและสร้างแรงกดดันอย่างมากต่อชิ้นส่วนที่เย็นภายนอก ดังนั้นการทำลายของเรือจึงอาจเกิดขึ้นได้ แก้วบางๆ จะไม่ระเบิดเมื่อเทน้ำร้อนลงไป เนื่องจากชิ้นส่วนด้านในและด้านนอกจะอุ่นขึ้นอย่างรวดเร็วเท่ากัน
แก้วควอตซ์มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นที่อุณหภูมิต่ำมาก กระจกดังกล่าวทนต่อความร้อนหรือความเย็นไม่สม่ำเสมอโดยไม่แตกร้าว ตัวอย่างเช่น น้ำเย็นสามารถเทลงในกระติกน้ำแก้วควอทซ์ร้อนแดง ในขณะที่ขวดแก้วธรรมดาจะระเบิดระหว่างการทดลอง
วัสดุที่แตกต่างกันภายใต้การให้ความร้อนและความเย็นเป็นระยะควรเชื่อมต่อเข้าด้วยกันเมื่อขนาดของวัสดุเปลี่ยนไปในลักษณะเดียวกันกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเท่านั้น นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับขนาดผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่น เหล็กและคอนกรีตขยายตัวในลักษณะเดียวกันเมื่อถูกความร้อน นั่นคือเหตุผลที่คอนกรีตเสริมเหล็กเป็นที่แพร่หลาย - สารละลายคอนกรีตชุบแข็งเทลงในโครงเหล็ก - การเสริมแรง (รูปที่ 9.7) หากเหล็กและคอนกรีตขยายตัวต่างกัน จากความผันผวนของอุณหภูมิรายวันและรายปี โครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กจะพังในไม่ช้า
อีกสองสามตัวอย่าง ตัวนำโลหะที่บัดกรีในหลอดแก้วของหลอดไฟฟ้าและหลอดวิทยุ ทำจากโลหะผสม (เหล็กและนิกเกิล) ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเท่ากับแก้ว มิฉะนั้น แก้วจะแตกเมื่อโลหะถูกทำให้ร้อน สารเคลือบที่ใช้เคลือบจาน และโลหะที่ใช้ทำจานเหล่านี้ ต้องมีสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นเท่ากัน มิฉะนั้นเคลือบฟันจะแตกเมื่อจานที่เคลือบด้วยความร้อนและความเย็น
แรงสำคัญสามารถพัฒนาได้ด้วยของเหลว หากถูกทำให้ร้อนในภาชนะปิดที่ไม่อนุญาตให้ของเหลวเข้า

ขยาย. กองกำลังเหล่านี้สามารถนำไปสู่การทำลายภาชนะที่มีของเหลว ดังนั้นจึงต้องพิจารณาคุณสมบัติของของเหลวนี้ด้วย ตัวอย่างเช่น ระบบท่อทำน้ำร้อนมักจะมีถังขยายติดอยู่ที่ด้านบนของระบบและระบายออกสู่บรรยากาศ เมื่อน้ำร้อนในระบบท่อ น้ำส่วนเล็กๆ จะผ่านเข้าไปในถังขยาย ซึ่งจะช่วยขจัดสภาวะตึงเครียดของน้ำและท่อ ด้วยเหตุผลเดียวกัน หม้อแปลงไฟฟ้าที่ระบายความร้อนด้วยน้ำมันจึงมีถังขยายน้ำมันอยู่ด้านบน เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ระดับน้ำมันในถังจะเพิ่มขึ้น เมื่อน้ำมันเย็นลง ระดับน้ำมันจะลดลง
การใช้การขยายตัวทางความร้อนในงานวิศวกรรม

ข้าว. 9.8
เทอร์โมสตัท
รูปที่ 9.10 แผนผังแสดงอุปกรณ์ของตัวควบคุมอุณหภูมิประเภทใดประเภทหนึ่ง bimetallic arc 1 เปลี่ยนความโค้งเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง แผ่นโลหะ 2 ติดอยู่ที่ปลายอิสระ ซึ่งเมื่อส่วนโค้งคลายออก ให้สัมผัสที่ 3 และเคลื่อนออกจากส่วนนั้นเมื่อบิด ตัวอย่างเช่น หากหน้าสัมผัส 3 และแผ่นที่ 2 ต่อกับปลาย 4, 5 ของวงจรไฟฟ้าที่มีอุปกรณ์ทำความร้อน เมื่อสัมผัสกัน
การขยายตัวทางความร้อนของร่างกายใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านวิศวกรรม นี่เป็นเพียงตัวอย่างบางส่วน แผ่นเพลตที่ไม่เหมือนกันสองแผ่น (เช่น เหล็กและทองแดง) เชื่อมเข้าด้วยกัน ทำให้เกิดเพลตที่เรียกว่า bimetallic (รูปที่ 9.8) เมื่อถูกความร้อนแผ่นดังกล่าวจะงอเนื่องจากแผ่นหนึ่งขยายตัวมากกว่าอีกแผ่นหนึ่ง ของแถบ (ทองแดง) ซึ่งขยายตัวมากขึ้น มักจะเป็นด้านนูนเสมอ (รูปที่ 9.9) คุณสมบัติของเพลต bimetallic นี้ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการวัดอุณหภูมิและการควบคุม

เมื่อสัมผัสหน้าสัมผัสและเพลต วงจรไฟฟ้าจะปิด: อุปกรณ์จะเริ่มทำให้ห้องร้อน เมื่อถูกความร้อน bimetallic arc 1 จะเริ่มบิดและที่อุณหภูมิหนึ่งจะถอดเพลต 2 ออกจากหน้าสัมผัส 3: วงจรจะแตกความร้อนจะหยุด เมื่อเย็นลง arc 1 คลายเกลียวจะบังคับให้เครื่องทำความร้อนเปิดขึ้นอีกครั้ง ดังนั้นอุณหภูมิห้องจะคงอยู่ในระดับนี้ มีการติดตั้งเทอร์โมสตัทที่คล้ายกันในตู้ฟักซึ่งจำเป็นต้องรักษาอุณหภูมิให้คงที่ ในชีวิตประจำวันมีการติดตั้งเทอร์โมสตัทในตู้เย็น เตารีดไฟฟ้า ฯลฯ ขอบล้อของรถรางทำด้วยเหล็ก ส่วนที่เหลือของล้อทำด้วยโลหะที่มีราคาถูกกว่า - เหล็กหล่อ ยางวางบนล้อในสภาวะที่ร้อน หลังจากเย็นตัวลงแล้วจะหดตัวและยึดไว้อย่างแน่นหนา
นอกจากนี้ในสภาวะที่มีความร้อนจะมีการใส่รอก, แบริ่งบนเพลา, ห่วงเหล็กบนถังไม้ ฯลฯ คุณสมบัติของของเหลวที่จะขยายตัวเมื่อถูกความร้อนและหดตัวเมื่อเย็นลงในอุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดอุณหภูมิ - เทอร์โมมิเตอร์ ปรอท แอลกอฮอล์ ฯลฯ ถูกใช้เป็นของเหลวสำหรับการผลิตเทอร์โมมิเตอร์
เมื่อวัตถุขยายตัวหรือหดตัว จะเกิดความเครียดทางกลมหาศาลหากวัตถุอื่นป้องกันการเปลี่ยนแปลงขนาด เทคนิคนี้ใช้เพลต bimetallic ที่เปลี่ยนรูปร่างเมื่อถูกความร้อน

สอบฟิสิกส์ ม.8

2. การเคลื่อนที่ด้วยความร้อน

ร่างกายทั้งหมดประกอบด้วยโมเลกุลที่เคลื่อนที่ตลอดเวลา เรารู้แล้วว่าการแพร่กระจายที่อุณหภูมิสูงขึ้นเร็วกว่า ซึ่งหมายความว่าความเร็วของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลและอุณหภูมิสัมพันธ์กัน เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นความเร็วของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลจะเพิ่มขึ้นเมื่อลดลงจะลดลง ดังนั้นอุณหภูมิของร่างกายจึงขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนที่ของโมเลกุล ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับความร้อนและความเย็นของร่างกายเรียกว่าความร้อน เช่น อากาศเย็น น้ำแข็งละลาย ทุกอณูในร่างกายเคลื่อนที่ไปตามวิถีที่ซับซ้อนมาก ตัวอย่างเช่น อนุภาคก๊าซเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงในทิศทางต่างๆ ชนกันและกับผนังของถัง

การเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคที่ประกอบเป็นร่างกายเรียกว่า การเคลื่อนที่ด้วยความร้อน.

การขยายตัวของของแข็ง

เมื่อถูกความร้อน แอมพลิจูดการสั่นสะเทือนของโมเลกุลจะเพิ่มขึ้น ระยะห่างระหว่างโมเลกุลจะเพิ่มขึ้น และร่างกายจะเติมปริมาตรที่มากขึ้น ของแข็งขยายตัวในทุกทิศทางเมื่อถูกความร้อน

การขยายตัวของของเหลว

ของเหลวขยายตัวได้แรงกว่าของแข็งมาก พวกเขายังขยายตัวในทุกทิศทาง เนื่องจากโมเลกุลเคลื่อนที่ได้สูง ของเหลวจึงอยู่ในรูปของภาชนะที่มันตั้งอยู่

การบัญชีและการใช้การขยายตัวทางความร้อนในเทคโนโลยี

ในชีวิตประจำวันและเทคโนโลยี การขยายตัวทางความร้อนมีความสำคัญมาก ไฟฟ้า รถไฟจำเป็นต้องรักษาความตึงเครียดในลวดให้คงที่ซึ่งจ่ายพลังงานให้กับตู้รถไฟไฟฟ้าในฤดูหนาวและฤดูร้อน ในการทำเช่นนี้ความตึงของเส้นลวดถูกสร้างขึ้นโดยสายเคเบิลซึ่งปลายด้านหนึ่งเชื่อมต่อกับลวดและอีกด้านหนึ่งถูกโยนข้ามบล็อกและโหลดจะถูกระงับ

ระหว่างการก่อสร้างสะพาน ปลายด้านหนึ่งของโครงนั่งร้านถูกวางบนลูกกลิ้ง หากยังไม่เสร็จสิ้น เมื่อขยายในฤดูร้อนและหดตัวในฤดูหนาว ฟาร์มจะคลายฐานรากที่สะพานวางอยู่

ในการผลิตหลอดไส้ ส่วนหนึ่งของลวดที่ผ่านเข้าไปในแก้วจะต้องทำจากวัสดุที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเท่ากับของแก้ว มิฉะนั้น อาจเกิดการแตกร้าวได้

ตัวอย่างข้างต้นยังห่างไกลจากการลดบทบาทและการประยุกต์ใช้การขยายตัวทางความร้อนในชีวิตประจำวันและเทคโนโลยีต่างๆ

เครื่องวัดอุณหภูมิ

เครื่องวัดอุณหภูมิจะแสดงอุณหภูมิของตัวเองเสมอ อุณหภูมินี้จะเท่ากับอุณหภูมิแวดล้อมหลังจากช่วงเวลาหนึ่งเท่านั้น กล่าวอีกนัยหนึ่งเทอร์โมมิเตอร์มีความเฉื่อยบางอย่าง

เครื่องวัดอุณหภูมิของเหลว

ความยาวของคอลัมน์ของเหลวของปรอท แอลกอฮอล์ โทลูอีน เพนเทน และอื่นๆ ทำหน้าที่เป็นเครื่องวัดอุณหภูมิ ช่วงการวัดถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิการเดือดและจุดเยือกแข็งของของเหลวในเทอร์โมมิเตอร์

เครื่องวัดอุณหภูมิโลหะ

เทอร์โมมิเตอร์แบบโลหะคือแผ่นโลหะไบเมทัลลิก ซึ่งก็คือแผ่นที่เชื่อมจากแถบโลหะสองชนิดที่แตกต่างกัน เนื่องจากความแตกต่างของการขยายตัวทางความร้อนของโลหะ แผ่นจะงอเมื่อถูกความร้อน เกลียวงอจากจานยาว ปลายด้านนอกของเกลียวได้รับการแก้ไขและมีลูกศรติดอยู่ที่ปลายด้านในซึ่งระบุอุณหภูมิที่แน่นอนบนมาตราส่วน

เทอร์โมมิเตอร์แบบต้านทาน

ความต้านทานของโลหะเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ ความแรงของกระแสในวงจรขึ้นอยู่กับความต้านทานของตัวนำและอุณหภูมิของตัวนำ ข้อดีของเทอร์โมมิเตอร์แบบต้านทานคือสามารถแยกอุปกรณ์วัดและสถานที่ที่วัดอุณหภูมิได้ในระยะที่เหมาะสม

คุณสมบัติของการขยายตัวทางความร้อนของน้ำ

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของปริมาตรขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเล็กน้อย น้ำเป็นข้อยกเว้นและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของน้ำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมาก และในช่วง 0 ถึง 4 องศาเซลเซียสจะมีค่าเป็นลบ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ปริมาตรของน้ำลดลงจาก 0 ถึง 4 องศาเซลเซียส แล้วจึงเพิ่มขึ้น

คุณค่าของการขยายตัวทางความร้อนในธรรมชาติ

การขยายตัวทางความร้อนของอากาศมีบทบาทสำคัญในปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ การขยายตัวทางความร้อนของอากาศทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของมวลอากาศในแนวตั้ง (ร้อนขึ้น อากาศหนาแน่นน้อยลง เย็นลง อากาศหนาแน่นน้อยกว่า) ความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอของอากาศในส่วนต่าง ๆ ของโลกทำให้เกิดลม ความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอของน้ำทำให้เกิดกระแสน้ำในมหาสมุทร

เมื่อให้ความร้อนและความเย็น หินเนื่องจากความผันผวนของอุณหภูมิรายวันและรายปี (หากองค์ประกอบของหินต่างกัน) รอยแตกจะเกิดขึ้นซึ่งก่อให้เกิดการทำลายของหิน