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.