Rozszerzalność cieplna
Transkrypt
Rozszerzalność cieplna
Rozszerzalność cieplna liniowa materiał współcz. rozszerz. (10-6/K) materiały krystaliczne 0,77-1,4 1 1,1 4,3 5 6 6,4 8 9 12 12 13 14,2 10-17 19,5 28 30 33 51 70 83 Energia potencjalna oddz. międzyatomowych kwarc invar diament wolfram osm kovar iryd rod platyna żelazo kobalt nikiel złoto stal srebro ołów kadm ind lód sód potas Reguły Grüneisena: tworzywa organiczne polichlorek winylu ebonit nylon polipropylen poliestry teflon polietylen akryl 50,4 76 80-100 90 123 135 200 234 minerały porcelana mur ceglany beton marmur piaskowiec 3,6 4,7-7,9 14,5 5-14 11,6 odległość między atomami − współcz. rozszerzalności cieplnej jest odwrotnie proporcjonalny do temperatury topnienia, − liniowa rozszerzalność od 0 K do temperatury topnienia wynosi ≈ 2%, − stosunek współczynnika rozszerzalności liniowej do ciepła właściwego nie zależy od T. Materiały o małym współczynniku rozszerzalności cieplnej: skład (% masy) invar kovar α (10-6/K) zakres (°C) Fe64, Ni36 -100 do 250 Fe54, Ni29, Co17 25-500 1 6,2 Niska rozszerzalność cieplna tych stopów wynika ze zmian właściwości magnetycznych Fe i Ni: wzrost temperatury powoduje stopniową utratę uporządkowania magnetycznego atomów żelaza i zmniejszenie ich średniej odległości międzyatomowej, co kompensuje dodatnią rozszerzalność wynikającą z anharmoniczności sił międzyatomowych. Materiały szklano-ceramiczne i kompozytowe Składają się z dwu faz: krystalicznej i szklistej, dobranych w odpowiedniej proporcji, lub dwu materiałów – proszku w matrycy. Zastosowanie: materiały żaroodporne (płyty kuchenne, naczynia; zwierciadła teleskopów). Li2O-Al2O3-SiO2 (LAS) - płyty kuchenek elektrycznych itp. urządzeń. Szkło Pyrex – naczynia laboratoryjne Zerodur (patent: 1968 r.) przezroczysty, stosowalny do 850 °C. Zastosowanie: precyzyjne układy mechaniczne i optyczne, wzorce pomiarowe, okienka w urządzeniach wysokotemperaturowych. 0,6 α -6 (10 /K) Zerodur 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 100 0°C 200 100°C 300 400 500 600 700 Temperatura, K Materiały o ujemnym współczynniku rozszerzalności cieplnej PbTiO3 ZrV2O7 Zn(CN)2 α -3,3·10-6 -7,1·10-6 -18,1·10-6 zakres 303-673 K 400-500 K 14-305 K Nowy krystaliczny materiał polimerowy (metaloorganiczny) wykazujący dodatni bądź ujemny współczynnik rozszerzalności w różnych kierunkach krystalograficznych (a, b, c) (Nature, luty 2008) c b a komórka elementarna CoAg5(CN)10 Szyny kolejowe zespolone (tzw. bezstykowe) muszą wytrzymać naprężenia wynikające z rozszerzalności cieplnej w zakresie 10°C ± 40°C. Betonowe podkłady rozmieszczone w odstępach 60 cm muszą rozciągać lub sprężać szynę na każdym takim odcinku o ±0,29 mm. Wymaga to naprężeń ≈96 MPa (960 atm). Wytrzymałość stali na zerwanie wynosi ponad 800 MPa. Most żelbetowy o długości 200 m wskutek zmiany temperatury -25 °C → +50 °C wydłuża się o 15 cm. Zastosowanie: zaciskowa metoda łączenia elementów metalowych Obręcz z materiału odpornego na ścieranie (i drogiego) nałożona na koło ze zwykłej stali Zastosowanie: bimetal T1 T2 > T1 Rozszerzalność cieplna materiałów jest ważna w konstrukcji: zbrojonych elementów budowli, pojemników na skroplone gazy (także tankowce), elektroniki (różnice temperatur w podłożach układów scalonych), laserów i precyzyjnych układów optycznych, złącz metalu ze szkłem – np. elektrody w aparaturze szklanej lub okienka szklane w obudowie metalowej.