лабы физика / Тепловым расширением называется эффект изменения размеров те

Тепловым расширением называется эффект изменения размеров тела с изменением температуры при постоянном давлении. Это явление для твердых тел обусловлено несимметричностью потенциала взаимодействия атомов вещества в решетке, что приводит к ангармонизму колебаний атомов относительно среднего положения. Для газов это обусловлено увеличением кинетической энергии молекул и атомов.

Количественно тепловое расширение при постоянном давлении Р характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объемного или линейного).

Коэффициент объемного расширения a определяется как относительное изменение объема V при нагревании тела (твердого, жидкого или газообразного) на 1 К.

 

,

 

здесь Т - абсолютная температура тела.

 

Практическое значение a вычисляется по формуле:

 

,

 

где V₁, V₂ - объемы тела при температурах Т₁ и Т₂ , соответственно (Т₁<Т₂).

 

Для характеристики теплового расширения наряду с a используется коэффициент линейного расширения a_L:

 

,

 

где l - размер тела в данном направлении.

 

В общем случае поликристаллических анизотропных тел, состоящих из анизотропных монокристаллов, a_L=a_x+a_y+a_z , причем различие или равенство линейных коэффициентов теплового расширения a_x, a_y, a_z вдоль кристаллографических осей х, у, z  определяется симметрией кристалла. Например, для кристаллов кубической системы, так же как и для изотропных тел a_L= a_x= a_y= a_z и a = 3a_л. Для большинства тел a>0, но существуют и аномалии. Например, вода при нагреве от 0 до 4⁰С в условиях нормального атмосферного давления сжимается (a<0). Зависимость a(Т) наиболее заметна у газов (для идеального газа a=1/Т); у жидкостей она проявляется слабее. У ряда веществ в твердом состоянии (кварца, инвара и т.д.) коэффициент a мал и практически постоянен в широком интервале температур. При Т®0, a®0. Коэффициент a и a_L определяются экспериментальными методами.

Временные характеристики

Время инициации (log t_o от -1 до 3);

Время существования (log t_c от 0 до 6);

Время деградации (log t_d от -1 до 3);

Время оптимального проявления (log t_k от 3 до 5).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Термометр

Реализация данного эффекта не требует никаких дополнительных средств, кроме обычного бытового спиртового или ртутного термометра. При его нагревании столбик жидкости растет, что и означает объемное расширение жидкости.

 

Применение эффекта

Данный эффект широко используется при проектировании технических систем, работающих в экстремальных  или оптимальных термоусловиях с большими перепадами температур. Аномальное свойство воды уменьшаться в объеме при увеличении температуры от 0 до 4⁰С с одной стороны является вредным, приводящим к размораживанию "гидросистем", т.е. их механическому разрушению, а с другой стороны является основой для ряда технологических процессов, например, разрушение горных пород. Кроме того в технических устройствах широко используется так называемые биметаллические пластины как датчики предельных температур, приводящих к автоматическому включению выключению бытовых электроустройств (утюгов, пылесосов, холодильников и т.д.).

Широкое распространение данный эффект получил в механичеких тепловых релейных элементах.