Объем одной секции биметаллического радиатора: как посчитать и на что он влияет? ➤ Рекомендации лучших экспертов интернет-магазина TEPLOVOZ.UA

alexxlab

Содержание

Объем воды и другие характеристики радиаторов отопления

Содержание

  • 1 Зачем знать объем теплоносителя в батареи
  • 2 Способы расчета объема
    • 2.1 Определяем объем с помощью документации
    • 2.2 Усредненные значения объема
    • 2.3 Универсальный метод

Определение объема воды или другого теплоносителя в радиаторе — важный этап проектирования отопительной системы собственного загородного дома. 

Зачем знать объем теплоносителя в батареи

Расчет объема теплоносителя в батарее делают для того, чтобы:

  • выбрать правильное крепление радиатора. Оно должно выдерживать не только вес изделия, но и вес воды, которая заполняет все внутреннее пространство. Вес жидости равен объему;
  • выбрать котел нужной мощности. Если он будет слабым, он будет создавать малое давление, и вода будет двигаться медленно;
  • выбрать расширительный бак необходимого объема. Многие отказываются от этого элемента. Однако его лучше использовать, поскольку он компенсирует давление, созданное увеличенным в объеме нагретым теплоносителем. Например, при нагревании объем жидкости растет на 4%. Если ей некуда деться, то давление на батареи и трубы растет. Рано или поздно тепловое расширение «порадует» протечкой;
  • определить общую потребность в теплоносителе. Для этого нужно учесть внутренний объем труб с малым гидравлическим сопротивлением, а также объем нагревательного котла, способного создать нужное давление;
  • выдержать верную концентрацию антифриза. Это касается тех случаев, когда вода будет смешиваться с антифризом. Такое делать можно, и в некоторых случаях образованная жидкость для радиаторов отопления замерзает при более низких температурах, чем 100% антифриз;
  • подобрать тип циркуляции. Теплоноситель может двигаться естественным способом (сверху вниз) или перемещаться под давлением, созданным насосом. Естественный тип циркуляции выбирают в случае батарей с большим внутренним объемом и малым сопротивлением нагретой жидкости. Что касается второго типа, то размер и вес батарей значения не имеет.

Способы расчета объема

Величину внутреннего пространства батарей можно определить двумя способами:

  1. Заглянуть в техническую документацию и найти среди указанных характеристик нужную цифру. Далее необходимо провести простые математические операции.
  2. Залить воду и измерить ее объем или вес.

Определяем объем с помощью документации

Начальные цифры можно взять, как из документации с техническими характеристиками, так и из специальных составленных производителями таблиц. В обоих случаях указывается определенный показатель, которому соответствует такой объем воды, который может уместиться в погонном метре радиатора.

Этим показателем является межосевое расстояние. Под ним понимают расстояние, которое разделяет верхний и нижний коллекторы. Многие производители выпускают батареи, соблюдая стандартные значения межосевого расстояния. Чаще всего оно составляет 30 и 50 см.

Расчет объема воды предусматривает такие шаги:

  1. Определение длины панельных радиаторов или количества секций алюминиевых или биметаллических батарей с гладкими внутренними стенками (такие стенки позволяют снизить гидравлическое сопротивление).
  2. Определение объема воды на погонный метр. Для этого в таблице смотрят на межосевое расстояние. Напротив его величины ищут объем воды. Если устройство для отопления секционное, то узнают, сколько воды может поместиться внутри одной секции.
  3. Умножение полученных величин.

Этот метод сложно использовать для трубчатых радиаторов и батарей, выполненных по индивидуальным заказам. Это потому, что для первых устройств производители используют различные, прошедшие проверку на ГОСТ, трубы. Они имеют разные диаметры, толщину стенок и длину. Поэтому таблиц с усредненными значениями объема и расстояния между коллекторами нет. На помощь может прийти документация с техническими характеристиками и составленная производителем таблица. В ней кроме межосевого расстояния также может указываться сопротивление нагретой жидкости и вес устройства с этой жидкостью.

Для устройства отопления, изготовленного по желанию клиента, может и не быть технической документации с очень детальными характеристиками. Ведь оно выпускается только в малой партии, и нет смысла высчитывать все характеристики, включая объем и сопротивление воде.

Усредненные значения объема

Для примера взяты радиаторы с межосевым расстоянием 500 мм. Объем таков:

  • 1,7 л на каждую секцию рассчитанного на большое давление чугунного радиатора ЧМ-140;
  • 1 л на каждую секцию этой же батареи нового образца;
  • 0,25 л на каждые 10 см панельного устройства типа 11. Для конструкций с двумя и тремя рассчитанными на небольшое давление панелями этот показатель составляет 0,5 и 0,75 л на 10 см;
  • 0,45 л на каждую легкую по весу секцию батарей из алюминия;
  • 0,25 л на одну секцию биметаллического радиатора.

Универсальный метод

Он подходит для любого типа нагревательного устройства с любым межосевым расстоянием.

Измерение осуществляют так:

  1. Устанавливают заглушки на два нижних отверстия.
  2. Наливают воду до тех пор, пока она не начнет вытекать из второго свободного отверстия.
  3. Ставят заглушку на этом отверстии и медленно заливают воду до тех пор, пока вся батарея не будет полностью заполнена. Во время наливания подсчитывают количество вылитых емкостей. Это можно делать и во время спускания воды из радиатора. Придется спускать воду в ведро или что-то другое и потом ее выливать.
  4. Умножение количества вылитых емкостей на их объем. Конечная цифра является объемом батареи.

Объем секции алюминиевого радиатора – зачем нужно знать

Радиатор Elsotherm

Сегодня алюминиевые радиаторы очень часто подключаются как в действующие коммуникационные системы отопления, централизованные или автономные, так и в новые. Для того чтобы в помещении хватало тепла, изначально перед установкой, нужно определиться с размерами батарей, мощностью насоса, местами их монтажа. Здесь при выборе немаловажную роль играет показатель объема секций алюминиевых радиаторов. Он напрямую связан как с подбором составляющих элементов, так и с расчетом количества теплоносителя необходимого для заполнения всей системы отопления.

Содержание

  1. Технические аспекты алюминиевых батарей
  2. Классификация и конструктивные особенности
  3. Основные рабочие характеристики
  4. Объем секции и расход теплоносителя
  5. Расчет теплоносителя
  6. Заключение

Технические аспекты алюминиевых батарей

Для обустройства автономной системы отопления необходимо не только выполнить монтажные работы в соответствии с действующими нормативами, но и правильно выбрать алюминиевые радиаторы. Это возможно сделать только после тщательного изучения и анализа их свойств, конструктивных особенностей, технических характеристик.

Классификация и конструктивные особенности

Производители современного отопительного оборудования изготавливают секции алюминиевых радиаторов не из чистого алюминия, а из его сплава с кремниевыми добавками. Это позволяет изделиям придать устойчивость к коррозии, большую прочность и продлить срок их службы.

Сегодня торговая сеть предлагает широкий ассортимент алюминиевых радиаторов, отличающихся по своему внешнему виду, которые представленными такими изделиями как:

  • панельные;
  • трубчатые.

По конструктивному решению отдельно взятой секции, которые бывают:

  • Цельными или литыми.
  • Экструзионными или составленными из трех отдельных элементов, внутренне закрепленных между собой болтами с поролоновыми или силиконовыми прокладками.

Также различают батареи и по габаритам.

Стандартных размеров с шириной в пределах 40 см и высотой, равной 58 см.

Низкие, высотой до 15 см, что дает возможность устанавливать их на очень ограниченных пространствах. В последнее время производители выпускают алюминиевые радиаторы этой серии «плинтусного» исполнения с высотой от 2 до 4см.

Высокие или вертикальные. При небольшой ширине, такие радиаторы в высоту могут доходить до двух или трех метров. Такое рабочее расположение по высоте, помогает достаточно эффективно обогреть большие объемы воздуха в помещении. Кроме этого, такое оригинальное исполнение радиаторов выполняет дополнительно и декоративную функцию.

Срок службы современных алюминиевых радиаторов определяется качеством исходного материала и не зависит от количества составляющих его элементов, их размеров и внутреннего объема. Производитель гарантирует их стабильную работу при правильной эксплуатации до 20 лет.

Основные рабочие характеристики

Сравнительные характеристики

Технические характеристики и конструктивные решения алюминиевых радиаторов разрабатываются для обеспечения ими удобного и надежного нагрева помещений. Основными составляющими, характеризующими их технические свойства и эксплуатационные возможности являются такие факторы.

Рабочее давление. Современные алюминиевые радиаторы рассчитаны на показатели давления теплоносителя в системе отопления от 6 до 25 атмосфер. Для гарантии этих показателей в заводских условиях каждая батарея тестируется при давлении в 30 атмосфер. Этот факт дает возможность устанавливать это теплотехническое оборудование в любую систему отопления, где исключается возможность образования гидроударов.

Мощность. Этот показатель характеризует термодинамический процесс передачи тепла с поверхности батареи отопления в окружающую среду. Он указывает, какое количество тепла в ваттах может произвести прибор в единицу времени.

Кстати, теплоотдача от алюминиевых радиаторов происходит способом конвекции и теплового излучения в соотношении 50 на 50. Числовое значение параметра теплоотдачи каждой секции указывается в паспорте прибора.

При расчете необходимого для установки количества батарей, их мощность играет первостепенную роль. Максимальная теплоотдача одной секции отопительного алюминиевого радиатора довольно велика и доходит до 230 Ватт. Такой внушительный показатель объясняется высокой способностью алюминия к теплопередаче.

Влияние подключения на теплоотдачу

Объем секции. Этот показатель характеризует количество теплоносителя, который присутствует в секции радиатора в рабочем состоянии. Он зависит от габаритных размеров радиатора и его внутренней конструкции. Для каждого типа и вида радиаторов эта величина различна.

Объем секции является важной технической характеристикой алюминиевого радиатора и обязательно указывается в сопроводительном паспорте на каждое изделие от производителя.

Благодаря конструктивным особенностям для заполнения алюминиевого радиатора необходимо использовать меньший объем теплоносителя в сравнении с чугунным прибором такой же мощности.

Это значит, что для его нагрева нужно затратить меньше энергии, чем для чугунного аналога.

Температурный диапазон нагрева теплоносителя в алюминиевых батареях превышает 100 градусов.

В качестве справки, стандартная секция алюминиевого радиатора высотой 350–1000 мм, глубиной 110–140 мм, с толщиной стенок от 2 до 3 мм, имеет объем теплоносителя 0,35– 0,5 литра, и способна нагреть площадь в 0,4–0,6 квадратного метра.

Объем секции и расход теплоносителя

Сегодня не все автономные отопительные системы заполняются водой. Это обуславливается двумя факторами.

Размер секции
  1. Возникновение ситуации, когда хозяевам необходимо надолго оставить дом без отопления, так как в связи с длительным отсутствием отпадает необходимость в обогреве помещений.
  2.  Вода имеет свойство замерзать уже при нулевой температуре. При замерзании вода, расширяясь, превращается в лед,то есть переходит из одного физического состояния в другое. Во время этого процесса высвобождаются и меняются межмолекулярные связи воды, в результате развивается огромное усилие, которое разрывает радиаторы и трубы из любого металла.

Чтобы не произошло подобных ситуаций, для заполнения системы отопления вместо воды используют другой теплоноситель, лишенный проблемы замерзания. Это могут быть такие бытовые антифризы, как:

  • этиленгликоль;
  • солевой раствор;
  • глицериновый состав;
  • пищевой спирт;
  • нефтяное масло.

Благодаря специальным добавкам, которые вводятся в эти компоненты, составы теплоносителей сохраняют свое агрегатное состояние в жидком виде даже при отрицательных температурах.

Расчет теплоносителя

Определение объема расхода теплоносителя необходимого для автономной системы отопления требует точного расчета. Для простого способа узнать, сколько нужно антифриза, чтобы заполнить отопительную систему, существуют разнообразные расчетные таблицы.

Объем воды в одной секции

Для базовых расчетов можно воспользоваться той информацией, которая изложена в тематических справочниках:

  • Стандартная секция алюминиевой батареи содержит 0,45 литра теплоносителя.
  • Погонный метр 15-миллиметровой трубы содержит 0,177 литра, а труба диаметром в 32 мм – 0,8 литра теплоносителя.

Информацию о характеристике подпиточного насоса и расширительного бака можно взять из паспортных данных этого оборудования.

Общий объем системы отопления будет равен совокупному объему всех отопительных приборов:

  • радиаторов;
  • трубопроводов;
  • теплообменника котла;
  • расширительного бака.

Уточненная формула основного расчета корректируется с учетом коэффициента расширения теплоносителя. Для воды это 4%, для этиленгликоля ─ 4,4%.

Заключение

При проектировании системы автономного отопления у многих возникает вопрос, сколько литров теплоносителя вмещает одна секция алюминиевой батареи. Этот нужно для того, чтобы рассчитать расход газа, электричества и определиться, сколько нужно приобрести антифриза, если в системе не используется вода.

Читайте далее:

Мощность одной секции биметаллического радиатора: расчет, правила выбора

Для организации отопления в частном доме можно использовать системы, отличающиеся типом теплообменников. Наиболее популярны биметаллические радиаторы, сочетающие в себе свойства нескольких видов. При выборе радиаторов нужно изучить их технические характеристики, чтобы правильно рассчитать мощность и количество секций, необходимых для обогрева помещения.

Содержание

  1. Отвод тепла и его использование
  2. Размеры и мощность секций
  3. Количество секций биметаллического радиатора
  4. Виды расчета мощности одной секции
  5. Стандартный способ
  6. Объемный метод
  7. Условия эксплуатации биметаллического радиатора
  8. Повышенная теплоотдача 900 бесплатно

Тепловыделение и его использование

В биметаллических радиаторах теплоотдача 1 секции равна 200 Вт или 850 калорий в пересчете на энергию

При изучении характеристик радиатора важно обратить внимание на тепловыделение. Это понятие включает в себя количество тепла, выделяемого радиатором за определенный период времени. Тепловой поток или мощность устройства измеряется в ваттах. Для биметаллических радиаторов этот показатель равен 200 Вт.

В технической документации теплоотдача часто указывается в калориях в час, которые можно перевести в ватты по формуле. 1 ватт равен 859,8 калорий в час.

В результате работы батареи происходят три процесса. Это генерирует тепло. Отопление помещения осуществляется за счет:

  • теплообмена;
  • конвекция;
  • излучение.

Для работы любой модели отопительных приборов характерно использование всех процессов. Отличие только в пропорциях.

Размеры и мощность секций

Радиаторы можно купить в готовом виде или собрать самостоятельно из отдельных секций

Популярность биметаллических радиаторов обусловлена ​​их компактностью. Благодаря стальным вставкам они выглядят аккуратнее чугунных. Чем меньше одна секция по размерам, тем меньше требуется теплоносителя для нагрева. Поэтому использование данного типа аккумуляторов будет более экономичным с точки зрения энергопотребления. Но у очень узких труб есть свои недостатки. Они быстро забиваются мусором, перемещающимся по тепловым сетям. Лучше выбирать модели биметаллических радиаторов с тонкими стенками, как водопроводные трубы.

На емкость аккумулятора влияет расстояние между осями. Теплоотдача зависит от мощности самого радиатора. Например, этот параметр для аккумулятора с межосевым расстоянием 20 см составляет от 0,1 до 0,16 литра.

Главной особенностью биметаллических радиаторов является малое количество теплоносителя. Но при этом мощности теплового потока будет достаточно для максимально эффективного обогрева помещения. Например, прибор из десяти секций по 35 см может обогреть комнату площадью 14 квадратных метров, но при этом вмещает всего 1,6 литра.

Биметаллические батареи можно собрать самостоятельно по одной секции, либо приобрести готовый радиатор необходимого размера.

Количество секций биметаллического радиатора

Со временем ухудшается отвод тепла из-за засорения труб и радиаторов внутри

Сколько киловатт в одной секции алюминиевого радиатора или биметаллической батареи указано в техническом паспорте оборудования. Все расчеты должны производиться на основе указанных данных. Если в документах нет информации о характеристиках, ее можно найти на официальном сайте производителя. Иногда используется среднее значение. Расчеты производятся отдельно для каждого помещения.

Для правильного расчета количества секций биметаллического радиатора необходимо учитывать несколько факторов. Важно сколько кВт в 1 секции биметаллического радиатора. Если планируется замена чугунных батарей на биметаллические радиаторы, нужно учитывать, что у биметалла более высокая теплоотдача, чем у чугуна. Поэтому размеры можно оставить как были. Но важно учитывать, что со временем качество отопления будет ухудшаться из-за забитых труб. Отложения будут образовываться из-за взаимодействия воды с металлом.

Рекомендуется заменить на такое же количество секций или взять запас в одну-две секции во избежание потери теплопередачи из-за засорения труб. Если радиаторы приобретаются для новой комнаты, обязательно нужно делать расчет для каждой комнаты.

Виды расчетов мощности одной секции

Средние значения мощности 1 секции радиаторов

Существует два метода расчета, благодаря которым можно определить мощность одной секции биметаллического радиатора.

Стандартный способ

Санитарно-технические нормы определяют минимальную теплоотдачу батарей для каждого региона отдельно. Для средней полосы России должно быть не менее 100 Вт на квадратный метр. Расчет по стандартной схеме осуществляется следующим образом:

  • берется площадь помещения, в котором производится установка;
  • полученный показатель умножается на 100 Вт;
  • результат необходимо разделить на теплоотдачу одной секции, эти данные можно найти в техническом паспорте отопительного оборудования.

Этот метод имеет свои недостатки. Его рекомендуется использовать только для помещений, в которых высота потолков не более трех метров. В расчете не учитывается материал стен, оконных конструкций и степень утепления.

Объемный метод

Формула расчета мощности радиатора для определенной площади помещения

Объемный метод позволяет получить точный расчет, что дает возможность более рационально подобрать необходимое количество секций. Мощность исчисляется в кубических метрах. По нормам СНиП принимается значение 41 Вт. Подсчет ведется следующим образом:

  • вычисляется площадь помещения;
  • полученный показатель умножается на высоту помещения, таким образом получается объем;
  • определяется необходимая мощность для помещения – норма СНиП умножается на полученный объем;
  • для расчета точного количества секций, общая мощность делится на параметр, по одной секции за раз.

Полученный результат будет отличаться от расчета стандартным способом. Объемный метод считается наиболее точным.

Условия эксплуатации биметаллического радиатора

Рекомендуется промывать систему отопления каждые 2 — 3 года.

Для более эффективного функционирования биметаллических батарей рекомендуется:

  • Перед установкой радиаторов покрыть стену светоотражающей пленкой. Благодаря этому удастся снизить теплопотери.
  • Отсоедините радиаторы в правильной последовательности. Сначала должна быть отключена подающая линия, затем обратная линия. После этого вода сливается через запорный вентиль.
  • Включить систему отопления, начиная с обратки, затем выпускается воздух и включается подающая часть.
  • Установите фильтры для предотвращения попадания грязи в радиатор.
  • Перед началом отопительного сезона очистить поверхности батарей теплой водой с моющими средствами. Не используйте кислоты и щелочи, а также средства с абразивными частицами.

Радиатор всегда должен быть заполнен охлаждающей жидкостью. Батарейки могут быть без него не более двух недель в году. Раз в два года секции необходимо промывать внутри под высоким напором воды.

Повышение теплоотдачи без затрат

Таблица расчета мощности по типам радиаторов

Для каждого параметра системы отопления используется свой коэффициент теплоотдачи. Значение прописывается в техническом паспорте. Одним из важных показателей, который необходимо учитывать при проведении расчетов, является тепловой напор в системе.

Чаще всего параметр теплоотдачи для одной секции дается при тепловом напоре 60 градусов. Этот показатель соответствует температурному режиму воды в системе на уровне 90 градусов. Эти параметры характерны для старых домов. В современном строительстве применяются новые технологии, не требующие высокого теплового напора. Это значение для системы отопления составит от 40 до 50 градусов.

Так как значения давления, прописанные в техпаспорте и выданные по факту, отличаются друг от друга, необходимо произвести перерасчет мощности секций. Чаще всего показатель при пересчете оказывается ниже заявленного. Показатель теплоотдачи умножается на фактическое значение теплового напора, затем полученная цифра делится на параметр, прописанный в документе.

Мощность секции биметаллического радиатора – важный показатель, который необходимо определить перед монтажом системы отопления. От правильности расчетов зависит эффективность обогрева помещения.

13.2 Тепловое расширение твердых тел и жидкостей – College Physics: OpenStax

Глава 13 Температура, кинетическая теория и газовые законы

Резюме

  • Дайте определение и опишите тепловое расширение.
  • Рассчитать линейное расширение объекта, зная его начальную длину, изменение температуры и коэффициент линейного расширения.
  • Рассчитать объемное расширение объекта, зная его начальный объем, изменение температуры и коэффициент объемного расширения.
  • Рассчитать термическую нагрузку на объект, зная его первоначальный объем, изменение температуры, изменение объема и объемный модуль.
Рис. 1. Термокомпенсаторы , подобные этим, на мосту через гавань Окленда в Новой Зеландии позволяют изменять длину мостов без потери устойчивости. (кредит: Ингольфсон, Wikimedia Commons)

Расширение спирта в термометре является одним из многих часто встречающихся примеров

теплового расширения , изменения размера или объема данной массы в зависимости от температуры. Горячий воздух поднимается вверх, потому что его объем увеличивается, что приводит к тому, что плотность горячего воздуха становится меньше, чем плотность окружающего воздуха, вызывая выталкивающую (поднимающую) силу на горячий воздух. То же самое происходит со всеми жидкостями и газами, приводя к естественному переносу тепла вверх в домах, океанах и погодных системах. Твердые тела также подвергаются термическому расширению. Железнодорожные пути и мосты, например, имеют компенсаторы, что позволяет им свободно расширяться и сжиматься при изменении температуры.

Каковы основные свойства теплового расширения? Во-первых, тепловое расширение явно связано с изменением температуры. Чем больше изменение температуры, тем больше будет изгибаться биметаллическая полоса. Во-вторых, это зависит от материала. В термометре, например, расширение спирта намного больше, чем расширение стакана, содержащего его.

Какова основная причина теплового расширения? Как обсуждается в главе 13.4 «Кинетическая теория: атомное и молекулярное объяснение давления и температуры», повышение температуры подразумевает увеличение кинетической энергии отдельных атомов. В твердом теле, в отличие от газа, атомы или молекулы плотно упакованы вместе, но их кинетическая энергия (в виде небольших быстрых колебаний) отталкивает соседние атомы или молекулы друг от друга. Это отталкивание соседа к соседу приводит в среднем к несколько большему расстоянию между соседями и в сумме к большему размеру всего тела. Для большинства веществ в обычных условиях нет предпочтительного направления, и повышение температуры увеличивает размер твердого тела на определенную долю в каждом измерении.

ЛИНЕЙНОЕ ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ — ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ В ОДНОМ ИЗМЕРЕНИИ

Изменение длины[латекс]\boldsymbol{\Delta{L}}[/латекс]пропорционально длине[латекс]\жирныйсимвол{L}.

[/латекс] зависимость теплового расширения от температуры, вещества и длины сводится к уравнению

[латекс]\boldsymbol{\Delta{L}=\alpha{L}\Delta{T}},[/latex]

, где[ латекс]\boldsymbol{\Delta{L}}[/latex]является изменением длины[латекс]\boldsymbol{L},\:\boldsymbol{\Delta{T}}[/latex]является изменением температуры, а [латекс]\жирныйсимвол{\альфа}[/латекс] — коэффициент линейного расширения, который незначительно зависит от температуры. 9{\circ}\textbf{C}}[/latex]или 1/К. Поскольку размер кельвина и градуса Цельсия одинаковы, как [latex]\boldsymbol{\alpha}[/latex], так и [latex]\boldsymbol{\Delta{T}}[/latex] могут быть выражены в единицах кельвинов или градусов Цельсия. Уравнение[латекс]\жирныйсимвол{\Delta{L}=\alpha{L}\Delta{T}}[/latex] является точным для небольших изменений температуры и может использоваться для больших изменений температуры, если среднее значение [латекс]\boldsymbol{\alpha}[/латекс] используется.

{\circ}\textbf{C}}.[/latex] 9{\circ}\textbf{C})=0,84\textbf{ м.}}[/latex]

Обсуждение

Хотя это изменение длины невелико по сравнению с длиной моста, оно заметно. Обычно он распространяется на множество компенсационных швов, так что расширение в каждом шве невелико.

Объекты расширяются во всех измерениях, как показано на рисунке 2. То есть их площади и объемы, а также их длины увеличиваются с температурой. Отверстия также увеличиваются с температурой. Если вы прорежете отверстие в металлической пластине, оставшийся материал расширится точно так же, как если бы заглушка оставалась на месте. Пробка станет больше, а значит и отверстие тоже должно стать больше. (Представьте, что кольцо соседних атомов или молекул на стенке отверстия отталкивает друг друга все дальше друг от друга по мере повышения температуры. Очевидно, что кольцо соседей должно немного увеличиваться, поэтому отверстие становится немного больше).

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ В ДВУХ ИЗМЕРЕНИЯХ

Для небольших изменений температуры изменение площади [латекс]\boldsymbol{\Delta{A}}[/latex] определяется выражением

[латекс]\boldsymbol{\Delta{A}= 2\alpha{A}\Delta{T}},[/latex]

, где[latex]\boldsymbol{\Delta{A}}[/latex]изменение площади[latex]\boldsymbol{A}, \:\boldsymbol{\Delta{T}}[/latex] — изменение температуры, а [latex]\boldsymbol{\alpha}[/latex] — коэффициент линейного расширения, который незначительно зависит от температуры.

Рисунок 2.
Обычно объекты расширяются во всех направлениях при повышении температуры. На этих рисунках исходные границы объектов показаны сплошными линиями, а расширенные границы — пунктирными линиями. а) Площадь увеличивается, потому что увеличиваются и длина, и ширина. Площадь круглой пробки также увеличивается. (b) Если заглушка удалена, отверстие, которое она оставляет, становится больше с повышением температуры, как если бы расширяющаяся заглушка оставалась на месте. в) Объем также увеличивается, потому что увеличиваются все три измерения.

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ В ТРЕХ ИЗМЕРЕНИЯХ

Изменение объема [латекс]\boldsymbol{\Delta{V}}[/latex]очень близко к [латексу]\boldsymbol{\Delta{V}=3\alpha{V}\ Delta{T}}.[/latex]Это уравнение обычно записывается как

[латекс]\boldsymbol{\Delta{V}=\beta{V}\Delta{T}},[/latex]

, где[ латекс]\boldsymbol{\beta}[/latex]– коэффициент объемного расширения, а [латекс]\boldsymbol{\beta\приблизительно{3}\альфа}.

[/latex]Обратите внимание, что значения [латекс]\boldsymbol {\beta}[/latex]в таблице 2 почти точно равны[latex]\boldsymbol{3\alpha}.[/latex] 9{\circ}\textbf{C}}[/latex] вода подо льдом из-за этой необычной характеристики воды. Он также производит циркуляцию воды в пруду, что необходимо для здоровой экосистемы водоема.

Рис. 3. Плотность воды как функция температуры. Обратите внимание, что тепловое расширение на самом деле очень мало. Максимальная плотность в точке +4 0 C всего на 0,0075 % больше плотности в точке 2°C и на 0,012 % больше плотности в точке 0°C .

ВЫПОЛНЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ: РЕАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ — ЗАПОЛНЕНИЕ БАКА

Различия в тепловом расширении материалов могут привести к интересным эффектам на заправочной станции. Одним из примеров является капание бензина из только что заправленного бака в жаркий день. Бензин стартует при температуре земли под заправкой, которая ниже температуры воздуха над ней.

Бензин охлаждает стальной бак, когда он заполнен. И бензин, и стальной бак расширяются при нагревании до температуры воздуха, но бензин расширяется гораздо больше, чем сталь, поэтому он может перелиться через край.

Эта разница в расширении также может вызвать проблемы при интерпретации показаний указателя уровня бензина. Фактическое количество (масса) бензина, оставшегося в баке, когда датчик показывает «пусто», летом намного меньше, чем зимой. Бензин имеет тот же объем, что и зимой, когда загорается индикатор «добавьте топливо», но из-за того, что бензин расширился, масса стала меньше. Если вы привыкли проезжать еще 40 миль «пустым» зимой, будьте осторожны — летом вы, вероятно, выбежите гораздо быстрее. 9{\circ}\textbf{C}}?[/latex]

Стратегия

Бак и бензин увеличиваются в объеме, но бензин увеличивается больше, поэтому количество пролитого равно разнице в изменении их объема. (Бензиновый бак можно рассматривать как твердую сталь.) Мы можем использовать уравнение для расширения объема, чтобы вычислить изменение объема бензина и бака.

Решение

1. Используйте уравнение для объемного расширения, чтобы рассчитать увеличение объема стального резервуара:

[латекс] \boldsymbol{\Delta{V}_{\textbf{s}}=\beta_{\textbf{s}}V_{\textbf{s}}\Delta{T}}.[/latex]

2. Увеличение объема бензина определяется следующим уравнением: \textbf{gas}}\Delta{T}}.[/latex]

3. Найдите разницу в объеме, чтобы определить количество пролитого вещества как

[латекс]\boldsymbol{V _{\textbf{spill}}=\ Delta{V}_{\textbf{gas}}-\Delta{V}_{\textbf{s}}}.[/latex]

В качестве альтернативы мы можем объединить эти три уравнения в одно уравнение. (Обратите внимание, что исходные объемы равны.) 9{\circ}\textbf{C})} \\ {} & \boldsymbol{=} & \boldsymbol{1.10\textbf{L.}} \end{array}[/latex]

Обсуждение

Это количество является значительным, особенно для бака на 60,0 л. Эффект настолько поразителен, потому что бензин и сталь быстро расширяются. Скорость изменения термических свойств обсуждается в главе 14 «Тепло и методы теплопередачи».

Если вы попытаетесь плотно закрыть бак, чтобы предотвратить переполнение, вы обнаружите, что он все равно протекает, либо вокруг крышки, либо из-за разрыва бака. Плотное сжатие расширяющегося газа эквивалентно его сжатию, а как жидкости, так и твердые тела сопротивляются сжатию с чрезвычайно большими силами. Чтобы избежать разрыва жестких контейнеров, эти контейнеры имеют воздушные зазоры, которые позволяют им расширяться и сжиматься, не нагружая их.

Термическое напряжение создается тепловым расширением или сжатием (см. главу 5.3 Эластичность: напряжение и деформация для обсуждения напряжения и деформации). Термическое напряжение может быть разрушительным, например, когда расширяющийся бензин разрывает бак. Это также может быть полезно, например, когда две детали соединяются вместе путем нагревания одной в процессе производства, затем надевания ее на другую и охлаждения комбинации. Термический стресс может объяснить многие явления, такие как выветривание горных пород и дорожного покрытия из-за расширения льда при замерзании. 92}.[/latex](Дополнительные сведения о объемном модуле см. в главе 5.3 «Упругость: напряжение и деформация».) латекс]\boldsymbol{\Delta{V}}[/latex]к давлению:

[латекс]\boldsymbol{\Delta{V}\:=}[/latex][латекс]\boldsymbol{\frac{1} {B}\frac{F}{A}}[/latex][latex]\boldsymbol{V_0,}[/latex]

, где[latex]\boldsymbol{F/A}[/latex] — давление,[ латекс]\boldsymbol{V_0}[/latex]– первоначальный объем, а [латекс]\boldsymbol{B}[/latex]– модуль объемного сжатия используемого материала. Мы будем использовать количество, пролитое в Примере 2, как изменение объема,[латекс]\жирныйсимвол{\Delta{V}}.[/латекс] 92},[/latex] намного больше, чем может выдержать бензобак.

Силы и давления, создаваемые термическим напряжением, обычно такие же большие, как и в приведенном выше примере. Железнодорожные пути и проезжие части могут деформироваться в жаркие дни, если на них недостаточно компенсационных швов. (См. рис. 5.) Линии электропередач провисают больше летом, чем зимой, и ломаются в холодную погоду, если провисание недостаточное. Трещины в оштукатуренных стенах открываются и закрываются по мере того, как дом нагревается и остывает. Стеклянные кастрюли треснут при быстром или неравномерном охлаждении из-за дифференциального сжатия и создаваемых им напряжений. (Pyrex® менее чувствителен из-за его низкого коэффициента теплового расширения.) Корпусам высокого давления ядерных реакторов угрожает чрезмерно быстрое охлаждение, и, хотя ни один из них не вышел из строя, некоторые охлаждались быстрее, чем считалось желательным. Биологические клетки разрушаются при замораживании продуктов, что ухудшает их вкус. Многократное оттаивание и замораживание усугубляют ущерб. Даже океаны могут быть затронуты. Значительная часть повышения уровня моря в результате глобального потепления связана с тепловым расширением морской воды.

Рис. 5. Термическое напряжение способствует образованию выбоин. (кредит: Editor5807, Wikimedia Commons)

Металл регулярно используется в человеческом теле для имплантатов бедра и колена. Большинство имплантатов со временем необходимо заменять, потому что, среди прочего, металл не сцепляется с костью. Исследователи пытаются найти лучшие металлические покрытия, которые позволили бы связывать металл с костью. Одна из задач состоит в том, чтобы найти покрытие с коэффициентом расширения, аналогичным коэффициенту расширения металла. Если коэффициенты расширения слишком разные, термические напряжения в процессе производства приводят к трещинам на границе раздела покрытие-металл.

Еще один пример термического стресса обнаружен во рту. Зубные пломбы могут расширяться иначе, чем зубная эмаль. Это может вызывать боль при употреблении мороженого или горячего напитка. В пломбе могут появиться трещины. Металлические пломбы (золото, серебро и др.) вытесняются композитными пломбами (фарфор), имеющими меньшие коэффициенты расширения и более близкие к зубным.