Soojuspaisumine: definitsioon, põhjused ja rakendused

Füüsikas on soojuspaisumine üldiselt aine mahu muutumine vastuseks temperatuuri muutusele. Kui ainet kuumutatakse, liiguvad selle põhiosakesed kiiremini, keskmine kaugus nende vahel suureneb ja seeläbi suureneb materjali ruumala või pikkus. See efekt on tavaliselt hästi seletatav osakeste soojenenemisest tuleneva liikumise ja an-harmonilise potentsiaali tõttu: tõstetud temperatuurist tekkiv asümmeetriline jõudude jaotus viib suurema keskmise eraldatuseni (eraldatuse). Materjalid, mis tõmbuvad kokku temperatuuri tõustes, on väga haruldased; selline negatiivne soojuspaisumine esineb vaid mõnedes ainetes ja piiratud temperatuurivahemikes. Paisumise suurust jagatuna temperatuuri muutusega nimetatakse materjali soojuspaisumisteguriks, mis võib sõltuda temperatuurist ja materjali orientatsioonist.

Mikroskoopiline põhjus ja eripärad

Soojuspaisumine tuleneb peamiselt osakeste suurenemisest keskmises kineetilises energiast ja an-harmonilisest sideme potentsiaalist, mis tähendab, et sagedamini suureneb tasakaalukaugus kui väheneb. Kõik olekud — tahked, vedelad ja gaasilised — paisuvad kuumutamisel, ent paisumise suurus ja olemus sõltuvad olekust ja struktuurist. Mõned olulised erisused:

• Tahked ained: tavaliselt lineaarne paisumine (pikkuse muutus) ja ruumaline paisumine; kristallilistel materjalidel võib olla anisotroopne paisumine (sõltub kristalli suunast).
• Vedelikud: märgatav ruumala muutus ning vedeliku tihedus muutub; vesi on tuntud anomaalia poolest — tihedus maksima­ne umbes 4 °C juures, mistõttu vesi madalamal temperatuuril võib käituda teisiti kui enamik vedelikke.
• Gaasid: paisumine on suurim võrreldes tahkete ja vedelikega ning ideaalgaaside puhul kehtib seos pV = nRT (temperatuuri tõustes suureneb rõhk või ruumala sõltuvalt tingimustest).

Mõõtmine ja valemid

Soengu või pikkuse muutuse lähenemine on sageli lineaarse soojuspaisumise jaoks lihtne valem:

ΔL = α · L0 · ΔT

kus ΔL on pikkuse muutus, L0 algpikkus, ΔT temperatuurimuutus ja α on lineaarne soojuspaisumistegur (ühikuks 1/°C või 1/K — need kaks ühikut on võrdsed). Ruumala muutuse jaoks kasutatava ruumalse koefitsendi β (volumetriline soojuspaisumistegur) puhul kehtib ligikaudu isotroopsete tahkiste ja vedelike puhul β ≈ 3α ning ruumala muutuse valem:

ΔV = β · V0 · ΔT

Suurusega seotud näited: enamik metalle: α ≈ 10−6…10−5 K−1 (näiteks teras ~11–13×10−6 K−1, alumiinium ~23×10−6 K−1), klaas ja keraamika võivad olla palju väiksema α-ga, teatud komposiitidel või sulamitel võib α olla väga madal või isegi nulli lähedane.

Erandid ja erijuhtumid

• Vee anomaalia: vesi jõuab maksimaalse tiheduse 4 °C juures, mistõttu 0–4 °C vahemikus vee tihedus suureneb temperatuuril tõustes (vastupidiselt tavapärasele paisumisele).
• Negatiivne soojuspaisumine: mõned materjalid (näiteks teatud fosfaatid, zeoliidid või mõningad kristallid) võivad teatud temp­eratuurivahemikes kokku tõmbuda — see on haruldane, aga teadus- ja tehnoloogiarakendustes huvitav omadus.
• Anisotroopia: näiteks graafiit või teatud kristallid paisuvad eri suundades erinevalt.

Praktilised mõjud ja probleemid

Soojuspaisumisel on palju praktilisi tagajärgi ehituses, transpordis ja tehnoloogias. Kui element on tugevalt kinnitatud ja ei saa vabal moel paisuda, tekib materjalis termiline pinge. Lihtne hinnang fikseeritud elemendi tekkivale pingele on:

σ = E · α · ΔT

kus E on elastne moodul. Sellised pinged võivad põhjustada deformatsiooni, pragunemist või ebaõnnestumist.

Konkreetsed näited ja probleemid:

• Termomeetrid kasutavad vedelikku (nt elavhõbe või alkoholi), mis torus täitmise tõttu liigub, kui ruumala muutub temperatuuriga — sellele põhineb lihtne ja usaldusväärne temperatuuri mõõtmine.
• Rongide ja rööbaste probleemid: kuumus võib rööpaid painutada (tracks buckle), mis võib olla ohtlik. Rööpastes kasutatakse erinevaid kaitsemeetmeid — lame- või lahtised liitekohad (expansion joints), temperatuuri jälgimine ja operatiivsed kiirusepiirangud, et vähendada hõõrdumisest tekkivat lisakuumust. Samuti on kasutatud meetmeid nagu rööbaste sisemiste osade valgeks värvimine, et peegeldada päikesekiirgust ja vähendada kuumenemist, nagu mainitud algteksti lõpus.
• Sildadel, torustikel ja teedel kasutatakse paisumisvahed, libisevaid liitmikud, elastsed liimused ja spetsiaalsed ühendused, et vältida liigset pinge- ja deformatsioonikasvu.

Rakendused ja ennetus

Soojuspaisumine on nii probleem kui ka kasulik nähtus. Rakendused:

• Bimetallic-elemendid termostaadites ja relädes — kaks erinevat α-ga metallitükki painutuvad temperatuurimuutuse korral ja see saab lülitada elektriskeeme.
• Temperatuuriindikaatorid ja lihtsad mõõtetingimused — termomeetrid, dilatomeetrid mõõtmiseks laboris.
• Disainipraktika — ehitusinsenerid ja masinatootjad arvestavad α-ga, valides sobivaid materjale, liite- ja tugistruktuure ning loovad paisumisvõimalusi (nt paisumisõõnsused, ühendused ja liimühendused).

Mõõtmismeetodid ja standardid

Soojuspaisumisteguri määramiseks kasutatakse dilatomeetreid (pikkuse või mahu muutuse täpne mõõtmine), optilisi meetodeid ja röntgenneeldumisi kristallstruktuuri muutuste jälgimiseks. Standardiseeritud testimisprotseduurid annavad α väärtused tavaliselt teatavatele temperatuurivahemikele. Oluline on märkida, et α võib sõltuda temperatuurist — seega on sageli toodud keskmised või temperatuurispetsiifilised väärtused.

Kokkuvõttes on soojuspaisumine laialdaselt esinev ja tähtis füüsikaline nähtus, mille mõistmine on vajalik nii igapäevase tehnika kui ka kõrgtehnoloogiliste süsteemide ohutuks ja töökindlaks projekteerimiseks.

Küsimused ja vastused

K: Mis on soojuspaisumine füüsikas?

K: Mis juhtub aine põhiosakestega, kui seda kuumutada?

K: Kas temperatuuritõusuga kokku tõmbuvad ained on tavalised või haruldased?

K: Mis on soojuspaisumistegur?

K: Kas soojuspaisumine võib olla rongide jaoks probleemiks?

K: Kuidas kasutavad termomeetrid soojuspaisumist?

K: Mida teevad rongirööbaste monitorid, kui temperatuur muutub ebatavaliselt kõrgeks?

Otsing