6. Termiskā izplešanās

Ķermeņu izplešanos sasilstot sauc par termisko izplešanos. Cietām vielām izplešoties, mainās gan garums, gan platums, gan biezums. Monokristāliem piemīt anizotropija, tāpēc termiskā izplēšanās dažādos virzienos ir dažāda. Savukārt polikristāli un amorfās vielas visos virzienos izplēšas vienādi (izotropijas dēļ). Dažādas vielas izplēšas dažādi. Izplešanos raksturo izplešanās termiskais koeficients.

Izplešanās termiskais koeficients rāda, par kādu daļu no sākotnējā garuma / platuma / tilpuma atšķiras ķermeņa izmērs, tā temperatūrai paaugstinoties par 1 grādu.

 

Materiāls	Lineārās izplešanās termiskais koeficients, ${10}^{-5}{K}^{-1}$
Alumīnijs	\(2,4\)
Betons	\(1,2\)
Cements	\(1,4\)
Dzelzs	\(1,2\)
Stikls	\(0,9\)
Tērauds	\(1,1\)

 

Ķermeņa lineāro izmēru izmaiņu aprēķina pēc formulas:

$\mathrm{\Delta }l=l_0\cdot \mathrm{\alpha }\cdot \mathrm{\Delta }T$, kur

$l_0$ — ķermeņa sākuma garums,

$\mathrm{\alpha }$ — lineārās izplešanās termiskais koeficients,

$\mathrm{\Delta }T$ — temperatūras izmaiņa, \(\mathrm{K}\).

 

Cietvielas izplešanās ir ļoti niecīga. Ar aci to nevar novērot. Piemēram, 10 km garš dzelzceļa sliežu ceļš, gaisa temperatūrai palielinoties par 9 grādiem (piemēram, no - 5 $\mathrm{°}C$ līdz + 4 $\mathrm{°}C$), pagarinās par $10000\cdot 0,000012\cdot 9=1,08$ metriem. Šī iemesla dēļ starp sliežu posmiem atstāj atstarpes.

Secinājums: ja cietvielas ir ļoti garas, tad pagarinājums ir tik jūtams, ka izsauc vadu, sliežu un cauruļu deformēšanos.

Attēlā redzams, kas notiktu karstā laikā, ja starp sliežu posmiem nebūtu atstātas pareizas atstarpes.

 

 

Materiālu izplešanās jāņem vērā, ceļot tiltus.

 

 

Termisko izplešanos jāņem vērā cauruļvadu sistēmās, tur izmanto kompensatorus — izliektas caurules, lai mainoties gaisa temperatūrai, tās pēc vajadzības var saliekties. Attēlā redzams, kas varētu notikt, ja kompensatoru nebūtu.

 

 

 

Inženieriem, kas būvē ēkas, tiltus un citas iekārtas, kas pakļautas temperatūras maiņai, ir jāzina, kādus materiālus drīkst savienot, lai nerastos plaisas (sk. tabulā "Lineārās izplešanās termiskais koeficients"). Saistībā ar termisko izplešanos konstrukcijās rodas mehāniskais spriegums.

Elektriķiem, kas velk elektropārvades līniju vadus, ir jāzina, cik lielai temperatūras izmaiņai vadi būs pakļauti. Ja vasarā vadus nostieps, tad ziemā tie pārtrūks.

 

 

Metālu termisko izplešanos izmanto sildierīču automātiskajos slēdžos. Šāds slēdzis sastāv no divām cieši savienotām dažādu metālu (ar atšķirīgiem termiskajiem koeficientiem) plāksnītēm. Bimetāla plāksnītes, temperatūras ietekmē, izliecoties vai iztaisnojoties noslēdz vai atvieno elektrisko ķēdi.

 

Zīmējumā var redzēt garuma izmaiņu dažādu metālu divām nesalīmētām un salīmētām plāksnītēm.

 

 

Ķermeņa laukuma izmaiņu aprēķina pēc formulas $\mathrm{\Delta }S=S_0\cdot 2\mathrm{\alpha }\cdot \mathrm{\Delta }T$, savukārt tilpuma izmaiņu — $\mathrm{\Delta }V=V_0\cdot 3\mathrm{\alpha }\cdot \mathrm{\Delta }T\mathit{vai}\mathrm{\Delta }V=V_0\cdot \mathrm{\beta }\cdot \mathrm{\Delta }T$, kur

$V_0$ - vielas sākotnējais tilpums, ${\mathrm{m}}^3$

$\mathrm{\beta }$ - tilpuma izplešanās termiskais koeficients, ${\mathrm{K}}^{-1}$