熱膨張。固体と液体の熱膨張

30.09.2019

均質な物体が均一に加熱されると崩壊しませんが、加熱が不均一であると大きな機械的応力 (内部負荷) が発生する可能性があります。たとえば、ガラス瓶や厚いガラスでできたグラスに注ぐと破裂する可能性があります。お湯。なぜ？まず、熱湯と接する容器内部が加熱されます。それらは膨張し、同じ容器の外側の冷たい部分に強い圧力を加えます。薄いグラスは熱湯を注いでも破裂しません。内側と外側がほぼ同時にすぐに温まるからです。

定期的に加熱および冷却される異種材料は、温度変化に応じて寸法が同等に変化する場合にのみ結合する必要があります (物質は同様の係数を持っています)。これは、製品サイズが大きい場合に特に重要です。たとえば、鉄とコンクリートは加熱すると同じように膨張します。そのため、鉄格子にコンクリート溶液を流し込んで固めた鉄筋コンクリートが普及しました。鉄とコンクリートの膨張が異なる場合、毎日および年間の温度変動の結果、鉄筋コンクリート構造はすぐに崩壊するでしょう。

さらにいくつかの例を示します。電灯やラジオランプのガラスシリンダーにはんだ付けされた金属導体は、ガラスと同じ膨張率を持つ鉄とニッケルの合金でできており、そうでないと金属が加熱されるとガラスが割れてしまいます。皿を覆うために使用されるホーローと皿の素材である金属は、同じ線膨張係数を持っている必要があります。そうしないと、エナメルでコーティングされた食器が加熱および冷却されたときにエナメルが破裂します。

物体の熱膨張はテクノロジーで広く使用されています。いくつか例を挙げてみましょう。溶接または「リベット留め」された 2 つの異なるプレート (鉄と銅など) が、いわゆるバイメタルストリップを形成します。加熱すると、一方が他方よりも膨張するため、このようなプレートは曲がります。最も膨張するストリップ (銅) の 1 つは常に凸面側にあります。

バイメタルストリップのこの特性は、温度測定と温度調整に広く使用されています。金属体温計は、異なる金属の 2 つのストリップを溶接 (またはリベット留め) して作られたらせん状になっています。これらの金属の一方は、加熱されると他方よりも膨張します。片側展開により、スパイラルが展開し、ポインタがスケールに沿って右に移動します。冷却されると、スパイラルは再びねじれ、指針が目盛に沿って左に移動します。

(体積熱膨張係数)。固体の熱膨張を特徴付けるために、線熱膨張係数がさらに導入されます。

この性質を研究する物理学の分野はと呼ばれます 膨張測定.

さまざまな温度条件下で動作するすべての設備、機器、機械を設計する際には、物体の熱膨張が考慮されます。

熱膨張の基本法則対応する次元の線形サイズを持つ物体は、温度が上昇すると、次の量だけ膨張すると述べています。

ここで、はいわゆる線熱膨張係数です。同様の公式は、物体の面積と体積の変化を計算するために利用できます。提示された最も単純なケースでは、熱膨張係数が温度にも膨張方向にも依存しない場合、物質は上記の式に厳密に従って全方向に均一に膨張します。

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ウィキメディア財団。

2010年。

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加熱すると体の大きさが変化します。体積膨張係数 αυ = 1/V (ΔV/VT)Ξ、固体の場合は線膨張係数 αл = 1/l(Δl/ΔТ)Ξ によって特徴付けられます。ここで、Δl は線サイズの変化、ΔV です。は体の体積、ΔТ ... ... 百科事典

加熱されたときの物体の直線寸法の変化は、温度の変化に比例します。

ほとんどの物質は加熱すると膨張します。これは、熱の力学理論の観点から簡単に説明できます。加熱されると、物質の分子または原子がより速く動き始めるからです。固体では、原子は結晶格子内の平均位置付近でより大きな振幅で振動し始め、より多くの自由空間を必要とします。その結果、体が膨張します。同様に、液体と気体は、ほとんどの場合、自由分子の熱移動速度の増加により、温度が上昇すると膨張します ( cm。ボイル・マリオットの法則、シャルルの法則、理想気体の状態方程式）。

熱膨張の基本法則によれば、物体の線形サイズは次のようになります。 L温度がΔだけ上昇すると、対応する次元で TΔだけ膨張します L、次と等しい:

Δ L = αLΔ T

どこ α — いわゆる 線熱膨張係数。同様の公式は、物体の面積と体積の変化を計算するために利用できます。提示された最も単純なケースでは、熱膨張係数が温度にも膨張方向にも依存しない場合、物質は上記の式に厳密に従って全方向に均一に膨張します。

エンジニアにとって、熱膨張は極めて重要な現象です。大陸性気候の都市で川にかかる鋼橋を設計する場合、年間を通じて -40 ℃ ～ +40 ℃ の範囲で起こり得る気温の変化を考慮しないことはできません。このような違いにより、橋の全長は最大数メートル変化します。夏に橋が隆起したり、冬に強力な引張荷重がかからないように、設計者は別々のセクションから橋を構成し、それらを接続します。特別な 熱緩衝ジョイント噛み合う歯の列ですが、しっかりと接続されておらず、暑いときはしっかりと閉じ、寒いときはかなり広く広がります。長い橋には、このようなバッファがかなりの数ある場合があります。

ただし、すべての材料、特に結晶固体が全方向に均一に膨張するわけではありません。また、すべての材料が異なる温度で同じように膨張するわけではありません。ほとんど輝く例最後の種類は水です。水が冷えると、ほとんどの物質と同様に、最初に収縮します。ただし、+4°C から凝固点 0°C までの間では、水は冷却すると膨張し、加熱すると収縮し始めます (上式の観点から、0°C から凝固点 0°C までの温度範囲では、 +4℃ 水の熱膨張係数 α 受け入れる負の値）。このまれな効果のおかげで、地球の海や海洋は、最も厳しい霜の中でも底まで凍りません。+4°C より冷たい水は、暖かい水よりも密度が低くなり、表面に浮き上がり、温度が上がると水と置き換わります。 +4℃以上から底まで。

氷の比重が水の密度よりも低いという事実は、（前のものとは関係ありませんが）水のもう一つの異常な特性であり、私たちが地球上に生命を存在させるのはそのおかげです。この影響がなければ、氷は川、湖、海の底に沈み、再び底に凍りつき、すべての生き物が死んでしまうでしょう。

温度が変化すると、物体のサイズが変化します。加熱されると通常は増加し、冷却されると減少します。なぜこのようなことが起こっているのでしょうか?
小さな体のサイズの増加は小さく、気づきにくいです。しかし、長さ1.5〜2 mの鉄線を電流で加熱すると、特別な器具を使わずに伸びを目で検出できます。これを行うには、ワイヤーの一方の端を固定し、もう一方の端をブロックの上に投げる必要があります。この端に重りを取り付けて、ワイヤーを下に引っ張る必要があります (図 9.1)。負荷に接続されたインジケーターは、加熱または冷却の過程でのワイヤーの長さの変化を判断するために使用されます。
米。 9.1
ガスバーナーで加熱された小さな鋼球がリングを通過する際に膨張する様子が見られます。冷たいボールは簡単にリングを通過しますが、熱いボールはリングに引っかかってしまいます。ボールが冷めると、再びリングを通過します。
加熱すると物体が膨張する理由をどうやって説明できますか?
熱膨張の分子パターン
依存症位置エネルギー分子間の相互作用と分子間の距離から、熱膨張の原因を突き止めることができます。図 9.2 からわかるように、ポテンシャルエネルギー曲線は非常に非対称的です。 r が減少すると Epo の最小値 (r0 点) から非常に急速に (急激に) 増加し、r が増加すると比較的ゆっくりと増加します。

米。 9.2
位置エネルギー Ep0 の最小値。分子が加熱されると、その位置を中心に振動し始めます。
バランスのg。振動の範囲は平均エネルギー E によって決まります。ポテンシャル曲線が対称であれば、分子の平均位置は次のようになります。まだは距離 r0 に対応します。これは共通のことを意味します
絶対零度、つまり平衡状態では、分子は互いに距離 r0 に位置します。これは、加熱されたときの分子間の平均距離が一定であり、したがって熱膨張が存在しないことに対応します。実際、曲線は非対称です。したがって、いつ平均エネルギー、Er に等しい場合、振動分子の平均位置は距離 rx > r0 に対応します。
隣接する 2 つの分子間の平均距離の変化は、体内のすべての分子間の距離の変化を意味します。そのため、体が大きくなってしまいます。
物体をさらに加熱すると、分子の平均エネルギーが特定の値 E2、E3 などに増加します。同時に、分子間の平均距離も増加します。これは、分子の周囲でより大きな振幅で振動が発生するためです。新しい平衡位置: r2 > r3 > r2 など。
物体が加熱されると、振動する分子間の平均距離が増加するため、物体のサイズが増加します。

トピックの詳細については、§9.1 を参照してください。物体の熱膨張:

§9.4。テクノロジーにおける物体の熱膨張の計算と使用
新しく形成されたそれぞれの物体がある種のものに属し、他の[物体]と異なる理由について
エーテル渦、ねじれフィールド (SVI、スパイクなど) からのクラマートラックの構造は、回転体の半径、回転速度、動き、その他の物体の非常に特殊な物理パラメーターと生成する環境に依存します。彼ら。

熱膨張- 温度が変化したときの物体の直線寸法と形状の変化。固体の熱膨張を特徴付けるために、線熱膨張係数が導入されます。

固体の熱膨張のメカニズムは次のように表すことができます。固体に持っていったら熱エネルギー、その後、格子内の原子の振動により、熱の吸収プロセスが発生します。この場合、原子の振動はより激しくなります。振幅と周波数が増加します。原子間の距離が増加すると、原子間ポテンシャルによって特徴付けられるポテンシャルエネルギーも増加します。

後者は、斥力と引力のポテンシャルの合計で表されます。原子間の斥力は、原子間距離の変化とともに引力よりも速く変化します。その結果、エネルギー最小曲線の形状が非対称となり、平衡原子間距離が増加します。この現象は熱膨張に相当します。

分子間の相互作用の位置エネルギーが分子間の距離に依存することから、熱膨張の原因を突き止めることが可能になります。図 9.2 からわかるように、ポテンシャルエネルギー曲線は非常に非対称的です。最小値から非常に急速に（急激に）増加します。 Ep0(時点で r 0) 減少する場合 r増加につれて比較的ゆっくりと成長します r.

図 2.5

絶対零度、平衡状態では、分子は互いに距離を置いています。 r 0、位置エネルギーの最小値に対応 Ep0.分子が加熱されると、平衡位置の周りで振動し始めます。振動の範囲は平均エネルギー値によって決まります E.ポテンシャル曲線が対称であれば、分子の平均位置は依然として距離に対応します。 r 0 。これは、加熱されたときの分子間の平均距離が一般的に不変であり、したがって熱膨張が存在しないことを意味します。実際、曲線は非対称です。したがって、平均エネルギーは次のようになります。 , 振動分子の平均位置は距離に対応します r1> r0.

隣接する 2 つの分子間の平均距離の変化は、体内のすべての分子間の距離の変化を意味します。そのため、体が大きくなってしまいます。身体をさらに加熱すると、分子の平均エネルギーが特定の値まで増加します。 , 同時に、分子間の平均距離も増加します。これは、新しい平衡位置付近でより大きな振幅で振動が発生するためです。 r2 > r1、r3＞r2等

温度が変化しても（均一な加熱または冷却によって）形状が変化しない固体に関しては、線寸法（長さ、直径など）の変化、つまり線膨張と体積の変化が区別されます。 - 体積膨張。液体は加熱すると形状が変化することがあります (たとえば、温度計では水銀が毛細管に入ります)。したがって、液体の場合は、体積膨張についてのみ話すのが理にかなっています。

熱膨張の基本法則ソリッドボディの場合、ボディが直線寸法を持つことを示します。 L0その温度が上昇すると ΔTΔだけ膨張します L、次と等しい:

Δ L = αL 0 ΔT、 (2.28)

どこ α - いわゆる 線熱膨張係数.

同様の公式は、物体の面積と体積の変化を計算するために利用できます。提示された最も単純なケースでは、熱膨張係数が温度にも膨張方向にも依存しない場合、物質は上記の式に厳密に従って全方向に均一に膨張します。

線膨張係数は、温度だけでなく物質の性質にも依存します。しかし、あまり広い範囲内での温度変化を考慮すると、α の温度依存性は無視でき、線膨張係数の温度係数は次の定数値とみなすことができます。この物質の。この場合、式(2.28)からわかるように、本体の直線寸法は次のように温度変化に依存します。

L = L 0 ( 1+αΔT) (2.29)

固体の中でワックスが最も膨張し、この点で多くの液体を上回ります。種類にもよりますが、ワックスの熱膨張係数は鉄の25～120倍もあります。液体の中でエーテルが最も膨張します。しかし、摂氏+20度でエーテルよりも9倍強力に膨張する液体、つまり液体二酸化炭素（CO3）があります。その膨張係数は気体の4倍です。

最低オッズ石英ガラスの熱膨張は固体の熱膨張率が鉄の 40 分の 1 です。 1000度に加熱された石英フラスコを安全に下ろすことができます。氷水容器の完全性を心配する必要はありません。フラスコが破裂することはありません。ダイヤモンドも、石英ガラスよりは大きいものの、膨張係数が低いです。

金属の中で最も膨張が少ない鋼はインバーと呼ばれ、その熱膨張係数は通常の鋼の80分の1です。

以下の表 2.1 は、いくつかの物質の体積膨張係数を示しています。

表 2.1 - 大気圧における一部の気体、液体、固体の等圧膨張係数の値

体積膨張係数	線膨張係数
物質	温度、℃	α×10 3 、(℃) -1	物質	温度、℃	α×10 3 、(℃) -1
ガス	ダイヤモンド		1,2
黒鉛		7,9
ヘリウム	0-100	3,658	ガラス	0-100	~9
酸素	3,665	タングステン		4,5
液体	銅	16,6
水		0,2066	アルミニウム
水銀	0,182	鉄
グリセロール	0,500	インバー (36.1% Ni)	0,9
エタノール	1,659	氷	-10℃～0℃	50,7