Коэффициент расширения
Коэффициент теплового расширения показывает, на какую долю меняется размер или объём тела при нагреве на 1 K. Различают линейный коэффициент α (для длины) и объёмный β (для объёма), для твёрдых тел β ≈ 3α. Удлинение считают по формуле ΔL = α · L · Δt: стальная труба длиной 10 м при нагреве на 50 K удлиняется примерно на 6 мм.
| Материал | Коэффициент, 10−6/K |
|---|---|
| Сталь (линейный) | 11–13 |
| Медь (линейный) | 16,5–17 |
| Алюминий (линейный) | 23 |
| ПВХ (линейный) | 70–80 |
| Вода (объёмный) | 207 |
При нагревании, твердые тела и жидкости подвергаются тепловому расширению, то есть увеличивают свой объем в ответ на повышение температуры. Это явление описывается коэффициентом теплового расширения, который количественно характеризует, насколько изменяется объем вещества при увеличении его температуры на один градус Цельсия (°C) или Кельвина (K). Коэффициент теплового расширения является важным параметром, поскольку он различается для разных материалов и может изменяться для одного и того же вещества при разных температурах.
Линейный и объёмный коэффициенты
Для твердых тел коэффициент линейного расширения обычно выражается как изменение длины на единицу длины на каждый градус изменения температуры. В то время как для жидкостей и газов чаще используется коэффициент объемного расширения, который указывает на изменение объема на единицу объема на каждый градус изменения температуры.
Тепловое расширение в термометрах и контурах
Это свойство лежит в основе работы многих устройств для измерения температуры, таких как жидкостные термометры. В жидкостном термометре, например, используется ртуть или спирт, которые расширяются при нагревании. Размер этого расширения можно точно измерить в градусах по шкале термометра. Таким образом, наблюдая за изменением объема жидкости в термометре, можно определить изменение температуры окружающей среды.
Важно отметить, что точность измерений температуры такими устройствами зависит от точного знания коэффициента теплового расширения используемого материала и его изменения с температурой. Это объясняет, почему для разработки термометров и других тепловых устройств важно выбирать материалы с подходящими и хорошо изученными тепловыми свойствами.
Тепловое расширение воды учитывают в любом закрытом контуре: при нагреве объём теплоносителя растёт, и излишек должен куда-то уйти — для этого ставят расширительный бак. Как рассчитать его объём, рассказано в статье расширительный бак в гидромодуле чиллера.
КЛТР — это
КЛТР — коэффициент линейного термического расширения — показывает, на какую долю своей длины удлиняется тело при нагреве на 1 K. Измеряется в 1/K (или 1/°C); значения обычно записывают как ×10⁻⁶ 1/K. Объёмный коэффициент расширения для твёрдых тел примерно в три раза больше линейного.
| Материал | α |
|---|---|
| Алюминий | 23 |
| Медь | 17 |
| Нержавеющая сталь AISI 304 | 17 |
| Углеродистая сталь | 12 |
| Бетон | 10–12 |
| Стекло | 8–9 |
| Полипропилен | 150 |
| ПВХ | 80 |
Удлинение трубы при нагреве
ΔL = α · L · ΔT.
На тепловом расширении работают термобаллоны, биметаллические термостаты и жидкостные термометры. Как меняется теплопроводность материалов — в статье коэффициенты теплопроводности различных материалов.
Частые вопросы
Что такое коэффициент расширения?
Относительное изменение размеров или объёма тела при изменении температуры на 1 K. Линейный коэффициент описывает удлинение, объёмный — изменение объёма.
Как посчитать удлинение трубы при нагреве?
ΔL = α · L · Δt. Для медной трубы длиной 20 м при нагреве на 60 K: 17·10⁻⁶ × 20 000 мм × 60 ≈ 20 мм. Такие удлинения компенсируют петлями, компенсаторами и подвижными опорами.
В чём измеряется коэффициент линейного расширения?
В 1/K (1/°C): это относительное удлинение на один градус. У меди он около 17·10⁻⁶ 1/K, у стали — около 12·10⁻⁶ 1/K.
Читайте также