Линейное и объемное температурное расширение тел

Температурный коэффициент линейного расширения

Материал Коэффициент линейного теплового расширения
10-6 °С-1 10-6 °F-1
ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол) термопласт 73.8 41
ABS — стекло, армированное волокнами 30.4 17
Акриловый материал, прессованный 234 130
Алмаз 1.1 0.6
Алмаз технический 1.2 0.67
Алюминий 22.2 12.3
Ацеталь 106.5 59.2
Ацеталь , армированный стекловолокном 39.4 22
Ацетат целлюлозы (CA) 130 72.2
Ацетат бутират целлюлозы (CAB) 25.2 14
Барий 20.6 11.4
Бериллий 11.5 6.4
Бериллиево-медный сплав (Cu 75, Be 25) 16.7 9.3
Бетон 14.5 8.0
Бетонные структуры 9.8 5.5
Бронза 18.0 10.0
Ванадий 8 4.5
Висмут 13 7.3
Вольфрам 4.3 2.4
Гадолиний 9 5
Гафний 5.9 3.3
Германий 6.1 3.4
Гольмий 11.2 6.2
Гранит 7.9 4.4
Графит, чистый 7.9 4.4
Диспрозий 9.9 5.5
Древесина, пихта, ель 3.7 2.1
Древесина дуба, параллельно волокнам 4.9 2.7
Древесина дуба , перпендикулярно волокнам 5.4 3.0
Древесина, сосна 5 2.8
Европий 35 19.4
Железо, чистое 12.0 6.7
Железо, литое 10.4 5.9
Железо, кованое 11.3 6.3
Золото 14.2 8.2
Известняк 8 4.4
Инвар (сплав железа с никелем) 1.5 0.8
Инконель (сплав) 12.6 7.0
Иридий 6.4 3.6
Иттербий 26.3 14.6
Иттрий 10.6 5.9
Кадмий 30 16.8
Калий 83 46.1 — 46.4
Кальций 22.3 12.4
Каменная кладка 4.7 — 9.0 2.6 — 5.0
Каучук, твердый 77 42.8
Кварц 0.77 — 1.4 0.43 — 0.79
Керамическая плитка (черепица) 5.9 3.3
Кирпич 5.5 3.1
Кобальт 12 6.7
Констанан (сплав) 18.8 10.4
Корунд, спеченный 6.5 3.6
Кремний 5.1 2.8
Лантан 12.1 6.7
Латунь 18.7 10.4
Лед 51 28.3
Литий 46 25.6
Литая стальная решетка 10.8 6.0
Лютеций 9.9 5.5
Литой лист из акрилового пластика 81 45
Магний 25 14
Марганец 22 12.3
Медноникелевый сплав 30% 16.2 9
Медь 16.6 9.3
Молибден 5 2.8
Монель-металл (никелево-медный сплав) 13.5 7.5
Мрамор 5.5 — 14.1 3.1 — 7.9
Мыльный камень (стеатит) 8.5 4.7
Мышьяк 4.7 2.6
Натрий 70 39.1
Нейлон, универсальный 72 40
Нейлон, Тип 11 (Type 11) 100 55.6
Нейлон, Тип 12 (Type 12) 80.5 44.7
Нейлон литой , Тип 6 (Type 6) 85 47.2
Нейлон, Тип 6/6 (Type 6/6), формовочный состав 80 44.4
Неодим 9.6 5.3
Никель 13.0 7.2
Ниобий (Columbium) 7 3.9
Нитрат целлюлозы (CN) 100 55.6
Окись алюминия 5.4 3.0
Олово 23.4 13.0
Осмий 5 2.8
Палладий 11.8 6.6
Песчаник 11.6 6.5
Платина 9.0 5.0
Плутоний 54 30.2
Полиалломер 91.5 50.8
Полиамид (PA) 110 61.1
Поливинилхлорид (PVC) 50.4 28
Поливинилденфторид (PVDF) 127.8 71
Поликарбонат (PC) 70.2 39
Поликарбонат — армированный стекловолокном 21.5 12
Полипропилен — армированный стекловолокном 32 18
Полистирол (PS) 70 38.9
Полисульфон (PSO) 55.8 31
Полиуретан (PUR), жесткий 57.6 32
Полифенилен — армированный стекловолокном 35.8 20
Полифенилен (PP), ненасыщенный 90.5 50.3
Полиэстер 123.5 69
Полиэстер, армированный стекловолокном 25 14
Полиэтилен (PE) 200 111
Полиэтилен — терефталий (PET) 59.4 33
Празеодимий 6.7 3.7
Припой 50 — 50 24.0 13.4
Прометий 11 6.1
Рений 6.7 3.7
Родий 8 4.5
Рутений 9.1 5.1
Самарий 12.7 7.1
Свинец 28.0 15.1
Свинцово-оловянный сплав 11.6 6.5
Селен 3.8 2.1
Серебро 19.5 10.7
Скандий 10.2 5.7
Слюда 3 1.7
Сплав твердый (Hard alloy) K20 6 3.3
Сплав хастелой (Hastelloy) C 11.3 6.3
Сталь 13.0 7.3
Сталь нержавеющая аустенитная (304) 17.3 9.6
Сталь нержавеющая аустенитная (310) 14.4 8.0
Сталь нержавеющая аустенитная (316) 16.0 8.9
Сталь нержавеющая ферритная (410) 9.9 5.5
Стекло витринное (зеркальное, листовое) 9.0 5.0
Стекло пирекс, пирекс 4.0 2.2
Стекло тугоплавкое 5.9 3.3
Строительный (известковый) раствор 7.3 — 13.5 4.1-7.5
Стронций 22.5 12.5
Сурьма 10.4 5.8
Таллий 29.9 16.6
Тантал 6.5 3.6
Теллур 36.9 20.5
Тербий 10.3 5.7
Титан 8.6 4.8
Торий 12 6.7
Тулий 13.3 7.4
Уран 13.9 7.7
Фарфор 3.6-4.5 2.0-2.5
Фенольно-альдегидный полимер без добавок 80 44.4
Фторэтилен пропилен (FEP) 135 75
Хлорированный поливинилхлорид (CPVC) 66.6 37
Хром 6.2 3.4
Цемент 10.0 6.0
Церий 5.2 2.9
Цинк 29.7 16.5
Цирконий 5.7 3.2
Шифер 10.4 5.8
Штукатурка 16.4 9.2
Эбонит 76.6 42.8
Эпоксидная смола , литая резина и незаполненные продукты из них 55 31
Эрбий 12.2 6.8
Этилен винилацетат (EVA) 180 100
Этилен и этилакрилат (EEA) 205 113.9
Эфир виниловый 16 — 22 8.7 — 12

Примечание: источниками справочных данных являются публикации в Интернете, поэтому они не могут считаться «официальными» и «абсолютно точными». Как правило, в Интернет справочниках не приводятся ссылки на научные работы, являющиеся основой опубликованных данных. Мы стараемся брать информацию из наиболее надежных научных сайтов. Однако если кого-то интересуют ссылки на эксперименты, советуем произвести самостоятельно углубленный поиск в Интернете. Будем признательны за любые комментарии к нашим справочным таблицам, а особенно за уточнения существующей информации или дополнение справочных данных.

Вас также может заинтересовать:

Коэффициент объемного расширения

ТКЛР материалов, используемых в электронике

temperatures.ru

Армирование алюминием и стекловолокном

Это делают цельной или перфорированной фольгой, толщиною в 0,01 – 0,005 см. Ее размещают на внешней или внутренней грани между прослойками полипропилена. Соединяют слои специальным клеем.

Сплошная прослойка фольги не позволяет проникать кислороду к носителю тепла. Большое количество кислорода ведет к коррозийным образованиям на приборах отопления.

ПП трубы, армированные стекловолокном – это трехслойный композит. В нем среднюю прослойку стекловолокна сваривают с частицами полипропилена из соседних прослоек.

Видео

RU/UA Тепловое расширение и сжатие труб

Watch this video on YouTube

Также товары из полипропилена, армированного стекловолокном, отличаются большим показателем упругости, это делает их очень гибкими.

Последняя характеристика в значительной степени упрощает монтаж и сокращает его время, так, как перед сварными работами не нужно чистить алюминиевый слой.

Теплопроводность алюминиевых сплавов

Представлена сводная таблица теплопроводности алюминиевых сплавов. В ней приведены значения теплопроводности распространенных алюминиевых сплавов (сплавы алюминия с кремнием, медью, магнием и цинком, литейные сплавы, дюралюминий) при различной температуре в диапазоне от 4 до 700К.

По данным таблицы видно, что теплопроводность алюминиевых сплавов в основном увеличивается с ростом температуры. Наибольшей теплопроводностью при комнатной температуре обладает такой сплав, как АД1 — его теплопроводность при этой температуре равна 210 Вт/(м·град). Более низкая теплопроводность свойственна в основном литейным алюминиевым сплавам, например АК4, АЛ1, АЛ8 и другим.

Температура в таблице в градусах Кельвина ! Таблица теплопроводности сплавов алюминия

Алюминиевый сплав Температура, K Теплопроводность алюминиевого сплава, Вт/(м·град)
АВ 298…373…473…573 176…180…184…189
АД1 нагартованный 4…10…20…40…80…150…300 50…130…260…400…250…220…210
АД31 закаленный, состаренный 4…10…20…40…80…200…300…600 35…87…170…270…230…200…190…190
АД33 300…373…473…573 140…151…163…172
АД35 298…373…473…573 170…174…178…182
АК4 300…500…600…700 145…160…170…170
АК6 закаленный, состаренный 20…77…223…293…373…473…573…673 35…90…192…176…180…184…184…189
АК8 закаленный, состаренный 20…40…80…150…300…573…673 50…72…100…125…160…180…180
АЛ1 300…400…600 130…140…150
АЛ2 20…77…293 10…18…160
АЛ4 300…473…673 150…160…155
АЛ5 300…473…573 160…170…180
АЛ8 300…473…673 92…100…110
АМг1 298…373…473…573…673 184…188…192…188…188
АМг2 4…10…20…40…80…150…300…373…473…573…673 4,6…12…25…49…77…100…155…159…163…164…167
АМг3 20…77…90…203…293 41…86…89…123…132
АМг5 отожженный 10…20…40…80…150…300…473…673 10…20…40…66…92…130…130…150
АМг6 20…77…173…293 13…43…75…92
АМц нагартованный 4…10…20…40…80…150…300…473…573…673 11…28…58…110…140…150…180…180…184…188
В93 300…473…673 160…170…160
В95 300…473…673 155…160…160
ВАД1 20…80…300 30…61…160
ВАЛ1 300…473…673 130…150…160
ВАЛ5 300…573…673 150…160…160
ВД17 300…673 130…170
Д1 298…373…473…573…673 117…130…150…172…176
Д16 закаленный, состаренный 10…20…40…80…150…300…373…473…573 9…19…37…61…90…120…130…146…163
Д20 закаленный, состаренный 20…40…80…150…300…373…473…573…673 27…38…61…85…140…142…147…155…160
Д21 298…373…473…573 130…138…151…168

Нихром

Проволока из нихрома так же, как и кантал, является отличным материалом для режима вариватта. Представляет собой сплав из никеля и хрома, может содержать железо. Широко используется в стоматологии.

Нихром выпускается в разных марках, но наиболее популярной в вейпинге является марка Ni80 (80% никеля и 20% хрома).

При нагреве нихром очень похож на кантал, но имеет более низкое сопротивление и быстрее нагревается. Его легко наматывать, он хорошо держит форму спирали.

Однако температура плавления нихрома ниже, чем у кантала. При прожиге следует быть аккуратным, подавать небольшое напряжение короткими импульсами, чтобы спираль не оплавилась.

Ещё одним возможным недостатком нихрома является содержание никеля, этот материал может не подойти людям с аллергией на никель.

  • Более быстрый разогрев, чем у кантала;
  • Простота в использовании;
  • Хорошо удерживает форму;
  • Широкая доступность;
  • Недорогой;
  • Не совместим с термоконтролем;
  • Содержание никеля;
  • Более низкая температура плавления.

Что нужно знать при проведении расчетов

При установке отопительной системы, не всегда получается сэкономить полезную площадь, что так важно в малогабаритных помещениях. Но при этом можно узнать точный объем нужного устройства

При вычислениях  используется такая формула:

При вычислениях  используется такая формула:

Vb (объем бачка) = Vt(объем жидкости теплоносителя)*Kt ( коэффициент, учитывающий расширение под влиянием тепла)/F(коэффициент производительности мембранного бака)

Чтобы определить объем теплоносителя используются такие методы:

  • засекается время пробного наполнения всей конструкции. Это можно сделать с помощью водомера;
  • складываются все объемы присутствующих механизмов – труб, батарей и источников тепла;
  • применяется соответствие 15 литров жидкости теплоносителя на каждый киловатт мощности оборудования.

Расчет объема на отдельном примере

Коэффициент, учитывающий тепловое расширение используемого теплоносителя, зависит от наличия антифризных добавок. Он меняется в зависимости от процентного соотношения данных добавок, а также может меняться под влиянием температуры. Есть специальные таблицы, где можно посмотреть данные из расчета нагревания теплоносителя. Такая информация внесена в калькулятор. Если используется вода, то это обязательно отображается в программе.

Незамерзающие жидкости в качестве теплоносителя особенно актуальны при необходимости отключать отопление в холодное время года.

Обязательно учитывается коэффициент эффективности мембранного расширительного бака. Его можно определить по такой формуле:

F= (Pm-Pb)/(P1+1)

При этом Pm обозначает максимальное давление, которое может привести к аварийному включению специального клапана безопасности. Это значение должно указываться в паспортных данных изделия.

На схеме показан вариант монтажа устройства

Pb – это давление для подкачки воздушной камеры устройства. Если конструкция уже была подкачана, то параметр указывается в технических характеристиках. Это величину можно менять самостоятельно. Например, производить докачку насосом для автомобиля или убирать лишний воздух при помощи вмонтированного ниппеля. Для автономных систем рекомендуемый показатель – 1-1,5 атмосфер.

Статья по теме:

Вычисление коэффициента

Коэффициент теплового расширения полипропиленовых труб для отопления определяется используемым материалом. Существуют специальные формулы для проведения расчетов и недопущения неудобств во время монтажа системы.

Чтобы высчитать возможную деформацию труб в сантиметрах, нужно узнать коэффициент их расширения и длину. Рабочей температурой считают комнатную.

Сперва узнают разницу температур, затем ее умножают на длину трубы. Результат умножают на коэффициент расширения.

Приблизительный расчет

Если после проведения расчетов коэффициент равняется 20 мм, то это значит, что в процессе функционирования отопительной системы расширение полипропиленовых труб армированных стекловолокном достигнет 2 см. То есть при прокладке магистрали эти показатели в любом случае потребуется учесть.

Избавиться от лишних сантиметров можно так:

  • осуществить монтаж под прямым углом;
  • можно добавить несколько петлеобразных деталей;
  • произвести укладку труб П-образным способом.

Если вы сомневаетесь в правильности выбора материала, и в том, корректно ли произведены расчеты удлинения полипропиленовых труб при нагреве, можно доверить такую работу профессионалам.

Полипропиленовые трубы с каждым днем становятся все популярнее. Они недорогие, их легко укладывать. Немаловажным фактором для создания качественной магистрали является бдительный выбор материала. Приобретаемый товар должен быть максимально качественным.

Не лишним будет перед покупкой посоветоваться со знакомым сантехником. Непосредственно при выборе труб осматривайте их на возможные повреждения и трещины. И не забывайте о типе выбираемых изделий.

§ 9.2. Тепловое линейное расширение

Глава 9. Тепловое расширение твердых и жидких тел

Применительно к твердым телам, форма которых при изменении температуры (при равномерном нагревании или охлаждении) не меняется, различают изменение линейных размеров (длины, диаметра и т. п.) — линейное расширение и изменение объема — объемное расширение, У жидкостей при нагревании форма может меняться (например, в термометре ртуть входит в капилляр). Поэтому в случае жидкостей имеет смысл говорить только об объемном расширении.

Опыт показывает, что при небольших изменениях температуры изменение линейных размеров твердого тела прямо пропорционально изменению температуры (рис. 9.3). Так как удлинение при нагревании (или укорочение при охлаждении) зависит также от первоначальной длины тела, удобнее рассматривать не само удлинение тела, а относительное удлинение: отношение увеличения длины ωl = l — l0 к первоначальной длине l0. Относительное удлинение пропорционально изменению температуры ωt = t — t0:

Коэффициент пропорциональности α1 называют температурным коэффициентом линейного расширения. Он показывает, на какую долю своего первоначального значения изменяются линейные размеры тела при нагревании его на 1 К. Коэффициент линейного расширения зависит от природы вещества, а также от температуры. Однако, если рассматривать изменения температуры в не слишком широких пределах, зависимостью α1 от температуры можно пренебречь и считать температурный коэффициент линейного расширения величиной постоянной для данного вещества. Для большинства веществ этот коэффициент мал, его значения составляют 10-5—10-6К-1.

Особенно мал коэффициент линейного расширения в диапазоне температур от -30 до +100 °С у инвара (сплав железа и никеля). Поэтому инвар применяют для изготовления точных инструментов, используемых при определении размеров тел. Линейные размеры самого инструмента из инвара мало зависят от колебаний температуры.

Линейные размеры тела, как вытекает из формулы (9.2.1), зависят от изменения температуры следующим образом:

l = l0(1 + α1Δt). (9.2.2)

В формулах (9.2.1) и (9.2.2) обычно начальное значение температуры полагают равным нулю (t0 = 0 °С) и соответственно t0 считают длиной тела при этой температуре. На практике же начальная температура тела далеко не всегда бывает равна 0 °С. Тогда расчет длины тела при любой температуре можно выполнить так. Пусть при температуре t1 длина тела равна l1, а при температуре t2 она равна l2. Тогда, считая начальную температуру t0 = 0 °С, имеем

l1 = l0(1 + α1t1), l2 = l0(1 + α1t2).

Отсюда

Однако, учитывая, что значение α1 очень мало, формулу (9.2.3) можно упростить. Умножив числитель и знаменатель на 1 — α1t1, получим

Ввиду малости коэффициента α1 члены, содержащие малы по сравнению с членом, в который входит α1 в первой степени (точнее, ). Поэтому их можно отбросить. В результате формула для вычисления длины l2 оказывается более простой и достаточно точной для инженерной практики:

Решая задачи с учетом теплового линейного расширения тел, необходимо иметь в виду, что при изменении температуры меняется не только длина, но и все другие линейные размеры тела. Так, у круглого стержня при нагревании увеличивается диаметр, и притом во столько раз, во сколько увеличивается длина стержня. У пластинки в одно и то же число раз увеличиваются длина, ширина и толщина. Если начертить на пластинке какую-нибудь линию, то длина этой линии при нагревании увеличится в такое же число раз. У окружности увеличатся ее длина и диаметр.

При нагревании пластинки, имеющей круглое отверстие, диаметр отверстия тоже увеличится. Дело в том, что при равномерном нагревании в теле не возникают силы упругости. Поэтому расширение происходит так, как если бы пластинка была сплошной. Точно так же увеличивается при нагревании диаметр гайки, размеры раковины в толще металлической отливки и т. д.

В справедливости сказанного можно убедиться на опыте с металлическим шаром, о котором уже шла речь в § 9.1. Шар застревает в кольце, если его нагреть, и проходит с большим зазором, если нагреть кольцо. Наоборот, при охлаждении кольца шар застревает, а охлаждение шара увеличивает зазор между ним и кольцом.

Линейные размеры твердых тел увеличиваются прямо пропорционально росту температуры.

1.5. Температурные перемещения

Вернемся к бруску материала, показанного на рисунке 1 . Предполагаем, что материал бруска является гомогенным и изотропным, то есть механические свойства материала бруска являются одинаковыми во всем его объеме. Кроме того, предполагаем, что изменение температуры ΔT

является однородным, то есть одинаковым, по всему бруску. При таких условиях мы можем вычислить увеличение любого размера бруска путем умножения первоначального размера на температурную деформацию. Например, если один из размеров бруска составляет L, то этот размер увеличиться на величину

δТ = εT·L=α·ΔT·L (4) Уравнение (4) можно применять для вычисления изменений длин элементов конструкций после однородного нагрева, например, удлинение призматического стержня на рисунке 2.2. Поперечные размеры стержня также изменятся, но эти изменения не показаны на рисунке 2.2, так как обычно они не оказывают влияния на осевые силы, которые передаются этим стержнем.

Рисунок 2.2 – Увеличение длины призматического стрежня в результате однородного увеличения температуры (уравнение (4))

Пример.

Оценим удлинение незакрепленных алюминиевого и стального стержней длиной 3 м при увеличении их температуры на 50 ºС.

Для алюминиевого стержня:

δТ =α·ΔT·L = 23·10-6·50·3000 = 3,5 мм Для стержня из малоуглеродистой стали:

δТ =α·ΔT·L = 12·10-6·50·3000 = 1,8 мм При рассмотрении выше температурных деформаций предполагалось, что конструкция не имеет ограничений для своих перемещений, что позволяло ей расширяться или сокращаться совершенно свободно. Такие условия возникают, например, когда объект лежит на гладкой поверхности, на которой не возникает трения . В таких случаях при однородном нагреве всего объекта в целом не возникает напряжений, хотя неоднородные изменения температуры могут вызывать внутренние температурные напряжения. Однако многие конструкции имеют опоры, которые препятствуют свободному расширению и сокращению их размеров. Поэтому в них развиваются температурные напряжения даже, если изменение температуры является однородным по всей конструкции.

Линейное и объемное температурное расширение тел

Наверняка, многие в жизни сталкивались с температурным расширением различных тел. Например, домохозяйки знают, что перед тем, как закрыть банку с консервацией капроновой крышкой, ее надо поместить в горячую воду, а потом быстро надеть на банку. Когда крышка остынет, она герметично закроет банку.

Говорят, что при нагревании твердых тел происходит их линейное расширение (соответственно, при охлаждении — их сжатие).

Tкон = Тнач±ΔT Lкон = Lнач±ΔL

  • Tкон, Тнач — конечная и начальные температуры;
  • Lкон, Lнач — конечная и начальная длина тела.

Таким образом, можно утверждать, что изменение длины тела ΔL пропорционально изменению температуры ΔТ.

Следует знать, что данные соотношения соблюдаются не всегда. Например, некоторые твердые тела при нагревании могут сжиматься, например, лед.

Разные материалы расширяются по-разному, имея свой коэффициент теплового расширения, который обозначается символом α (не путать с ускорением) и измеряется в °C-1. Коэффициенты теплового расширения определены экспериментально, и сведены в справочники. Формула изменения длины материала в зависимости от изменения температуры, с учетом его коэффициента теплового расширения, имеет следующий вид:

ΔL/Lнач = αΔT ΔL = LначαΔT

Применим полученные теоретические знания на практике. Попытаемся расчитать минимальный тепловой зазор между железнодорожными рельсами, при условии, что коэффициент линейного теплового расширения стали равен 1,2·10-5°C-1, длина рельс — 10 м; максимальный перепад температур 25°C.

Решить задачу несложно, необходимо лишь подставить соответствующие числовые значения в формулу:

ΔL = LначαΔT ΔL = 10·1,2·10-5·25 = 3·10-3 м

Строители железнодорожного полотна должны оставить зазор на стыке рельс не менее 3 мм.

Рассмотренное нами выше линейное расширение происходит только вдоль одного измерения тела. Но, как известно, мы живем в трехмерном мире, а любое физическое тело имеет три измерения: длину, ширину и высоту. Поэтому, при изменении температуры тела происходит не только его линейное расширение, но и объемное расширение.

Здесь можно провести полную аналогию с линейным расширением, и пропуская промежуточные объяснения, сразу привести формулу объемного расширения тела, с учетом коэффициента объемного расширения β, который измеряется также в °C-1.

ΔV/Vнач = βΔT ΔV = VначβΔT

В тех случаях, когда температурные изменения и изменения длины достаточно малы, можно допустить, что β=3α. Например, для стали α=1,2·10-5°C-1; β=3,6·10-5°C-1.

Покажем на реальном жизненном примере, как можно извлечь реальную личную выгоду, хорошо зная физические законы (ни в коем случае не призываем к подобным действиям).

Например, водитель бензовоза заливает ранним утром при температуре воздуха 15°C в свою цистерну объемом 3 кубометра 3000 литров бензина, который имеет коэффициент объемного теплового расширения β=9,5·10-4°C-1.

К месту назначения водитель приезжает в полдень, когда температура воздуха поднялась на 20°C.

Согласно физическим законам, объем бензина в цистерне должен увеличиться:

ΔV = VначβΔT ΔV = 3000·9,5·10-4·20 = 57 л

Таким образом, слив из цистерны 57 литров бензина, водитель к месту назначения привезет все ту же полную цистерну бензина.

Справедливости ради, надо сказать, что подобное вряд ли возможно осуществить на практике, ибо жидкое топливо учитывается в подобных случаях не по объему, но по массе. Поэтому, обмануть начальство подобным образом вряд ли получится.

В начало страницы

Влияние теплового расширения на разные материалы

Хрупкие материалы

В приведенных выше примерах мы увидели, насколько важно оставлять пространство для расширения при работе с материалами с высоким коэффициентом теплового расширения. В некоторых случаях материалы бывают настолько хрупкими, что разрушаются при резком повышении температуры, даже если могут спокойно двигаться в окружающих их конструкциях

Обычно это происходит, если тело неравномерно нагревается или охлаждается. В этом случае объем также уменьшается или увеличивается неравномерно, и в результате вызванного этим напряжения тело растрескивается или разрушается. Так происходит, например, с изделиями из стекла и керамики.

Для предотвращения термического удара материалы иногда усиливают. При этом внутри них возникают напряжения, обратные деформирующей силе. В некоторых случаях помогают также постепенные нагрев или охлаждение — это позволяет хрупким материалам расширяться постепенно, с минимальным напряжением.

Крышка из закаленного стекла разбивается на мелкие осколки

Коэффициент теплового напряжения материала можно понизить методом комбинирования его с материалом с более низким коэффициентом. Кроме этого коэффициент можно изменить механически, в процессе производства — так делают при изготовлении закалённого стекла. Стекло нередко закаляют после того, как придали ему необходимую форму, иначе оно легко разрушается, если применить к нему силу, например при его резке. Это происходит вследствие возникновения распределенных механических напряжений по объему стеклянного предмета в процессе закалки стекла с помощью нагревания и охлаждения или во время химической обработки.

Для повышения безопасности задние и боковые стекла в автомобилях делают из закаленного стекла. Для еще большей безопасности лобовое стекло состоит из двух слоев закаленного стекла, приклеенных к пленке между ними. Если такое стекло разбить, то осколки остаются на пленке.

Примеры материалов, которые выдерживают высокие температуры и большие перепады температур — закаленные стекло и керамика. Чаще всего их обрабатывают так, чтобы взаимодействие сил по поверхности с силами внутри изделия ограничивало движение молекул с увеличением температуры, и тем самым предотвращало структурную нагрузку, которая обычно присутствует в необработанных стекле и керамике. Обработка бывает механической и химической. Закаленные стекло и керамика растрескиваются при температурах, намного выше температур для необработанных керамики и стекла. Закаленные материалы прочнее обычных, поэтому их нередко используют там, где материалы должны выдерживать большие нагрузки.

Если же закаленное стекло все-таки разбивается, то оно растрескивается на мелкие осколки, а не на большие, как бывает с обычным стеклом. Благодаря этому, закаленное стекло более безопасно и его используют там, где велика вероятность, что это стекло разобьется. Например, чтобы защитить водителя и пассажиров от травм большими осколками стекла в случае аварии, в автомобилях используют именно закаленное стекло.

У некоторых хрупких материалов очень интересные свойства. Хороший пример — изделие из стекла в форме капли, с длинным «хвостом», которое можно сделать, капнув расплавленное стекло в ведро холодной воды. Свойства такого стекла напоминают свойства закаленного стекла. Иногда стекло такой формы называют каплями Принца Руперта

. Во время охлаждения, наружный слой таких капель охлаждается намного быстрее, чем внутренняя часть, поэтому стекло сжато вовнутрь, то есть давление внутри намного больше, чем давление наружного слоя. В результате такая капля хранит большую потенциальную энергию. Благодаря такому распределению сил в капле, более широкая ее часть выдерживает большое напряжение, даже удар молотком. Хвост капли, наоборот, очень хрупок, и если его повредить, то вся капля разлетается на мелкие осколки. Это очень похоже на миниатюрный взрыв. Обычное закаленное стекло нельзя резать после обработки по аналогичным причинам. На сайте YouTube есть множество захватывающих видео взрыва капель Принца Руперта, записанных на высокой скорости 100 000 кадров в секунду и выше.