Teplotná rozťažnosť materiálov

Primary tabs

Teplotná rozťažnosť materiálov je momentálne "najviditeľnejšia" vlastnosť materiálov, keďže teploty dosahujú na slnku až 40 ˚C. Teplotná rozťažnosť materiálu je objemová odpoveď materiálu na zvyšujúcu sa teplotu. Atómy materiálu pri zvyšovaní teploty kmitajú vo väčších vzdialenostiach od rovnovážnych polôh a tým dochádza k zmene objemu materiálu.
Samozrejme, že táto zmena nie je nekonečná. Materiál sa môže roztiahnuť iba po nejakú hraničnú hodnotu v nejakom intervale teplôt. Schopnosť materiálu roztiahnuť sa charakterizuje koeficient tepelnej rozťažnosti materálu. Pre prípad rozťažnosti, kedy nám materiál expadnuje v jednom smere (ostatné smery obyčajne klasická fyzika zanedbáva - lepšie povedané, rozťažnosť ostatých smerov je vzhľadom na primárny smer minimálna), vtedy hovoríme o lineárnej rozťažnosti. V prípade anizotropných materiálov (napríklad kompozity, polykryštalické látky) môžeme byť pre každý smer iný koeficient tepelnej rozťažnosti.

 

Koeficient teplotnej rozťažnosti α vypočíteme pomocou vzorca:

(1),

kde L je dĺžka materiálu po ohriatí, L0 je pôvodná dĺžka materiálu a T je teplota. Potom pomocou lineárneho koficientu dĺžkovej rozťažnosti môžeme charakterizovať zmenu rozmerov so zvyšujúcou sa teplotou v jednom smere nasledovne:

(2),

kde αL(Linear) je lineárny koeficient teplotnej rozťažnosti, ΔL je zmena rozmerov materiálu (v primárnom smere) a ΔT je zmena teploty. Možete sa stretnúť aj s iným označovaním teplotnej rozťažnosti. Kedže dané vzorce sú z wikipedie, držím sa ich označovania. Niekedy sa lineárna rozťažnosť označuje β, α sa vo všeobecnosti používa na označenie všeobecnej (objemovej - objemovej preto, že fyzikálne je expanzia materiálu spojená so zmenou objemu) rozťažnosti. V nasledujúcej tabuľke sú niektoré koeficienty lineárnej tepelnej rozťažnosti najpoužívajších materiálov:

 

 

Tabuľka 1 Koeficienty teplotnej rozťažnosti materiálov [2]

Materiál Lineárny koeficient teplotnej rozťažnosti αL
(m/m.K x 10-6)
ABS termoplast 99
Hliník 22.2
Mosadz 18.7
Tehla 5.5
Bronz 18.0
Diamant 1.2
Sivá liatina 10.8
Cement 10.0
Betón 14.5
Meď 16.5
Epoxid 18 - 20
Sklo - tabuľa 9.0
Zlato 14.2
Grafit 7.9
Inconel 12.6
Čisté železo 12.0
Odlievané železo 10.4
Kované železo 11.3
Keramika -kuchynská 4.5 - 9.0
Monel 13.5
Nikel 13.0
Porcelán 3.0
PVC 52
Guma 77
Striebro 19.5
Solder 24.0
Oceľ 13.0
Austenitická oceľ (304) 17.3
Austenitická oceľ (310) 14.4
Austenitická oceľ (316) 16.0
Feritická oceĺ (410) 9.9
Cín 23.4
Titán 8.6
Wolfrám 4.3
Drevo -dub,pozdĺžny smer 4.9
Drevo -dub, priečnyy smer 5.4
Zinok 29.7

 

Okrem tejto "klasickej" rozťažnosti existuje aj negatívna rozťažnosť, kedy sa materiál pri zvyšovaní teploty správa naopak, pri zvýšení teploty zmenšuje svoj objem. Táto vlastnosť je spojená s teplelnými kmitmi mriežky a fázovými premenami v materiály. V prípade, že by boli nájdené použitelné materiály s negatívnym koeficientom teplotnej rozťažnosti, dali by sa vyrobiť kompozitné materiály s nulovou teplotnou rozťažnosťou.

O rozťažnosti jednotlivých skupín materiálov sa môžete dozvedieť v tejto literatúre

Vzorec (1) a (2) sú zo zdroja

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Coefficient_of_thermal_expansion

Tabuľka 1 je zo zdroja

[2] http://tinyurl.com/3vf9oa