Soojuspaisumise koefitsient — definitsioon, liigid ja mõõtmine
Soojuspaisumise koefitsient: selge definitsioon, lineaarne/pindala/mahuline liigitus ja praktilised mõõtmismeetodid tahkiste ja vedelike jaoks.
Tahked ained paisuvad enamasti kuumutamisel ja tõmbuvad kokku jahutamisel. Seda reaktsiooni temperatuurimuutusele väljendatakse soojuspaisumistegurina.
Kasutatakse soojuspaisumistegurit:
- lineaarse soojuspaisumise korral
- pindala soojuspaisumine
- mahuline soojuspaisumine
Need omadused on omavahel tihedalt seotud. Ruumilise soojuspaisumise koefitsienti saab mõõta kõigi kondenseerunud ainete (vedelikud ja tahked ained) puhul. Lineaarset soojuspaisumist saab mõõta ainult tahkes olekus ja see on levinud tehnilistes rakendustes.
Mida soojuspaisumistegur täpselt mõõdab?
Soojuspaisumistegur (tavaliselt tähistatud α lineaarse puhul) näitab, kui palju muutub materjali pikkus temperatuuri muutumise ühiku kohta. Ühikuks on 1/K (või K-1) — tihti kirjutatakse ka 10-6/K (mikro-1/K), näiteks 12·10-6/K.
Lihtsustatud lineaarse lähenemise korral kehtib valem:
- ΔL = α · L0 · ΔT — muutus pikkuses väikese temperatuurivahe ΔT korral.
- Analoogiliselt pindala ja mahu puhul: ΔA ≈ 2α · A0 · ΔT ja ΔV ≈ 3α · V0 · ΔT isotroopse materjali korral (kui α on sama kõigis suundades).
Kui α ei ole konstantne (sõltub temperatuurist), tuleb kasutada integreeritud vormi: ΔL = L0 · ∫[T0→T] α(T) dT.
Erinevad tüübid ja nende tähendus
- Lineaarne soojuspaisumine — muutus ühes mõõtmes (pikkuses). Oluline konstruktsioonide ja detailide puhul (raud-, teras-, alumiiniumdetailid jne).
- Pindala soojuspaisumine — muutus kahe mõõtme (näiteks plaadi pindala) suhtes; pindala-koordinaatide puhul kasutatakse sageli ligikaudu 2α väärtust.
- Mahuline soojuspaisumine — muutus ruumalas (vedelikud ja tahked ained); vedelike puhul on tavaliselt ainult mahu- ehk ruumilise koefitsiendi määramine praktiline.
Mõõtmismeetodid
Soojuspaisumise koefitsiente mõõdetakse mitme meetodiga sõltuvalt materjalist ja täpsusnõudest:
- Dilatomeetria (push-rod või kapasitiivne dilatomeeter) — tavapärane meetod tahkete proovide lineaarse paisumise määramiseks.
- Termomehaaniline analüüs (TMA) — mõõdab deformeerumist kontrollitud koormuse ja temperatuuri all.
- Optiline interferomeetria — väga täpne pikkuse muutuste mõõtmiseks (mikro- ja nanomeetrise resolutsiooniga).
- Pinge- või deformatsioonimõõturid (strain gauges) — kasutusel konstruktsioonide reaalajas järelkontrollis.
- X-ray difraktsioon (XRD) — kristallvõre muutuste kaudu antakse infot anizotroopse paisumise kohta, eriti tahketes materjalides.
Mõõtmiste täpsust mõjutavad katsekiirus (kuumutamise/jahtumise tempo), katseatmosfäär (õhk, inertsgaas), mehaanilised piirangud ja võimalikud faasimuutused proovile.
Praktilised tähelepanekud ja näited
- Tüüpilised lineaarsete koefitsientide suurusjärgud: metallid tavaliselt 10–25·10-6/K (näiteks teras ~11–13·10-6/K, alumiinium ~23·10-6/K), klaasid ~0,5–9·10-6/K, polümeerid sageli palju suuremad (kuni 50–200·10-6/K või rohkem).
- Mõned materjalid on disainitud väga väikeseks paisumiseks (näiteks Invar-segud, mille α on äärmiselt väike), teised näitavad negatiivset soojuspaisumist kindlal temperatuurivahemikul (näiteks mõned keraamilised ained nagu zirkoniumtungstaat).
- Vedelike puhul räägitakse eelkõige mahu-kofitsientidest (β). Näiteks vee tiheduse anomaalia lähedal 4 °C võib vedeliku mahu käitumine olla mittelineaarne või isegi vastupidine tavapärasele paisumisele.
- Suurte temperatuurimuutuste korral või faasimuutuste lähedal ei ole lineaarne ligikaudus täpne — tuleb arvestada temperatuurisõltuva α(T) ja võimalike struktuurimuutustega.
Miks see on insenerikasutuses oluline?
Soojuspaisumine mõjutab konstruktsioonide täpsust ja töökindlust: pinged ja deformatsioonid tekivad, kui erinevatest materjalidest komponendid laienevad eri määra. See nõuab arvestamist liitumiste, lõtkude, ühenduste ja kinnitusdetailide projekteerimisel. Levinud lahendused on temperatuuri kompensatsioon (soojusekontroll), paisumisõmblused ja elastsed ühenduselemendid.
Kokkuvõte
Soojuspaisumise koefitsient on fundamentaalne materiaalne parameeter, mis kirjeldab materjali mõõtmete muutumist temperatuuri muutumisel. On olemas lineaarne, pindaline ja mahtuline näitaja; need on omavahel seotud isotroopse materjali korral ligikaudu suhtega 1 : 2 : 3. Praktikas tuleb arvestada temperatuurisõltuvust, anisotroopiat, faasimuutusi ja mõõtetingimusi — õiged mõõtmismeetodid ja standardiseeritud protseduurid annavad täpsema ja korduvväärtluse.
Mõnede tavaliste materjalide soojuspaisumise koefitsiendid
Materjali paisumist ja kokkutõmbumist tuleb arvestada suurte konstruktsioonide projekteerimisel, kui kasutatakse lindi või ketti vahemaade mõõtmiseks maamõõtmisel, kui projekteeritakse vorme kuuma materjali valamiseks ja muudes tehnilistes rakendustes, kui on oodata temperatuuri tõttu suuri mõõtmete muutusi. Vahemik α on 10-7 kõvade tahkete ainete puhul kuni 10-3 orgaaniliste vedelike puhul. α varieerub sõltuvalt temperatuurist ja mõnedel materjalidel on väga suur varieeruvus. Mõned väärtused tavapäraste materjalide jaoks, mis on esitatud miljondikosa Celsiuse kraadi kohta: (MÄRKUS: See võib olla ka kelvinites, kuna temperatuurimuutused on 1:1 suhe).| lineaarne soojuspaisumistegur α | |
| materjal | α 10-6 /K 20 °C juures. |
| 60 | |
| BCB | 42 |
| Plii | 29 |
| Alumiinium | 23 |
| Messingist | 19 |
| Roostevaba teras | 17.3 |
| Vask | 17 |
| Kuld | 14 |
| Nikkel | 13 |
| 12 | |
| Raud või teras | 11.1 |
| Süsinikteras | 10.8 |
| Platina | 9 |
| Klaas | 8.5 |
| GaAs | 5.8 |
| Indiumfosfiid | 4.6 |
| Volfram | 4.5 |
| Klaas, Pyrex | 3.3 |
| 3 | |
| Invar | 1.2 |
| 1 | |
| Kvarts, sulatatud | 0.59 |
Rakendused
Soojuspaisumise omadust kasutavate rakenduste kohta vt bi-metallist ja elavhõbedast termomeeter.
Soojuspaisumist kasutatakse ka mehaanilistes rakendustes osade üksteise peale sobitamiseks, nt puks saab sobitada võllile, tehes selle siseläbimõõdu veidi väiksemaks kui võlli läbimõõt, kuumutades seda, kuni see sobib võllile, ja lastes sellel pärast võllile surumist jahtuda, saavutades nii "kokkutõmbepainduvuse" (shrink fit).
On olemas mõned väga väikese CTE-ga sulamid, mida kasutatakse rakendustes, mis nõuavad väga väikeseid füüsikaliste mõõtmete muutusi temperatuurivahemikus. Üks neist on Invar 36, mille koefitsient on vahemikus 0,6x10-6 . Need sulamid on kasulikud lennundusrakendustes, kus võivad esineda suured temperatuurimuutused.
Küsimused ja vastused
K: Mis on soojuspaisumistegur?
V: Soojuspaisumistegur on mõõt, mis näitab, kui palju tahke aine temperatuurimuutuste mõjul paisub või tõmbub kokku.
K: Millised on kolm tüüpi soojuspaisumist?
V: Kolm liiki soojuspaisumist on lineaarne soojuspaisumine, pindalaline soojuspaisumine ja ruumiline soojuspaisumine.
K: Mis vahe on lineaarsel soojuspaisumisel ja ruumilisel soojuspaisumisel?
V: Lineaarne soojuspaisumine viitab pikkuse muutustele, samas kui ruumiline soojuspaisumine viitab ruumala muutustele.
K: Kas ruumilise soojuspaisumise koefitsienti saab mõõta vedelike puhul?
V: Jah, ruumilise soojuspaisumise koefitsienti saab mõõta kõigi kondenseerunud ainete, sealhulgas vedelike puhul.
K: Millises olekus saab lineaarset soojuspaisumist mõõta?
V: Lineaarset soojuspaisumist saab mõõta ainult tahkes olekus.
K: Miks on lineaarne soojuspaisumine tehnilistes rakendustes levinud?
V: Lineaarne soojuspaisumine on levinud tehnilistes rakendustes, sest see on oluline struktuuride ja komponentide puhul, mis peavad säilitama oma kuju ja suuruse muutuvate temperatuuride juures.
K: Kas erinevad soojuspaisumise tüübid on omavahel tihedalt seotud?
V: Jah, erinevad soojuspaisumise tüübid (lineaarne, pindalaline ja ruumiline) on omavahel tihedalt seotud.
Otsige