Коэффициент линейного расширения - можно все рассчитать

Каждому, наверняка, знаком перестук вагонных колес. Или стук колес трамвая. Все знают, что причиной этого является зазор на стыке между рельсами. А для чего он сделан? Ответ простой – компенсировать расширение рельс при нагреве. Это тоже общеизвестный факт, что при нагреве тела расширяются, а при охлаждении сжимаются. А мерой такого расширения или сжатия является коэффициент линейного расширения.

Видео: Учет товара в Excel - урок о том, как вести учет товара в Excel

Молекулярная теория расширение тела при нагреве объясняется увеличением скорости движения атомов и молекул вещества. В результате чего в кристаллической решетке амплитуда колебаний атомов увеличивается и, как следствие – увеличиваются линейные размеры тела. А на сколько произойдет увеличение, можно определить с помощью формулы, в которой применяется коэффициент линейного расширения.

Теперь надо пояснить физический смысл коэффициента. Он показывает, на сколько увеличится при нагревании на 1°С длина тела. Величина эта незначительная и для каждого материала своя. Так, коэффициент линейного расширения стали составляет 0,000011 на 1°С. Что собой представляет реально подобная величина, можно понять на простом примере. Если по экватору обернуть Землю железной проволокой, длина которой составит 40000 км, то при увеличении температуры на 1°С длина проволоки увеличится на 400 метров.

Коэффициент линейного расширения чрезвычайно важен для любого инженера. Он позволяет учесть изменение размеров тела при перепаде температур. Так, если в течение года температура в городе будет меняться от плюс пятьдесят градусов Цельсия до минус пятьдесят градусов Цельсия, это вызовет значительные изменения длины тех же рельсов. Если они будут сплошные, итогом будет их изгиб. Вот для избежания подобного явления и делают зазор между рельсами при их укладке.

Для различных материалов значение коэффициента будет разным. Для стали его значение уже приводилось, а коэффициент линейного расширения алюминия составит 0,0000024 на 1°С.

Видео: Как и где определить КТР глины (коэффициент термического расширения)

Однако приведённые рассуждения и примеры страдают некоторой однобокостью. Когда мы говорим об увеличении размеров тела при нагреве, увеличивается не только длина, но и остальные размеры – ширина и высота. Увеличение размеров приведёт к увеличению объема, и тогда можно говорить об объемном расширении тел. Правда такое понятие скорее применимо не к твердым телам, а к жидкостям.

Простой эксперимент, который подтвердит это, может сделать каждый самостоятельно. Поставьте на огонь чайник, наполненный водой до самого верха. Когда вода нагреется, она увеличится в объеме и "убежит" из чайника. Но есть и положительное использование подобного эффекта. Всем хорошо знакомы жидкостные термометры – что уличные, что медицинские. Они тоже построены на эффекте увеличения объема при нагревании.

В технике порой игнорирование подобного увеличения приводит к печальным последствиям. Для компенсации увеличения необходимо использовать специальные меры. Многим приходилось видеть длинный ряд труб (трубопровод), проложенных по поверхности. И вдруг на ровном месте трубы образуют огромный зигзаг. Это не простой зигзаг, его величина строго определенная, при расчете был использован коэффициент линейного расширения. Сделан подобный зигзаг для компенсации линейного увеличения размеров труб.

Можно ещё привести множество примеров использования в технике линейного и объемного расширений, но и приведенных примеров достаточно для понимания сути явления. Конечно, очень любопытно аномальное поведение некоторых веществ, той же самой воды. У нее при замерзании объем не уменьшается, а увеличивается. Это будет еще одним фактором, подтверждающим уникальные свойства воды.

Видео: Перемотка тороидального трансформатора

Итак, в данной статье на основании простейших и наглядных примеров из жизни определено такое понятие как линейное расширение тел и коэффициент линейного расширения. Приведены примеры использования расширения в технике и в быту, даны понятия о порядке величин упомянутого коэффициента.