Расширение воды при нагревании расчет: Расширение воды при нагревании в процентах

Содержание

Коэффициент температурного расширения

Определение и формула коэффициента температурного расширения

При изменении температуры происходит изменение размеров твердого тела, которое называют тепловым расширением. Различают линейное и объемное тепловое расширения. Эти процессы характеризуют коэффициентами теплового (температурного) расширения: — средний коэффициент линейного температурного расширения, средний коэффициент объемного теплового расширения.

Применяют, обычно средний коэффициент линейного расширения. Это характеристика теплового расширения материала.

Если первоначальная длина тела равна , — его удлинение при увеличении температуры тела на , тогда определен формулой:

Коэффициент линейного удлинения является характеристикой относительного удлинения (), которое происходит при увеличении температуры тела на 1К.

При увеличении температуры увеличивается объем твердого тела. В первом приближении можно считать, что:

где — начальный объем тела, — изменение температуры тела.

Тогда коэффициентом объемного расширения тела является физическая величина, которая характеризует относительное изменение объема тела (), которое происходит при нагревании тела на 1 K и неизменном давлении. Математическим определением коэффициента объемного расширения является формула:

Тепловое расширение твердого тела связывают с ангармоничностью тепловых колебаний частиц, составляющих кристаллическую решетку тела. В результате данных колебаний при увеличении температуры тела увеличивается равновесное расстояние между соседними частицами этого тела.

При изменении объема тела происходит изменение его плотности:

где — начальная плотность, — плотность вещества при новой температуре. Так как величина то выражение (4) иногда записывают как:

Коэффициенты теплового расширения зависят от вещества. В общем случае они будут зависеть от температуры. Коэффициенты теплового расширения считают независимыми от температуры в небольшом интервале температур.

Существует ряд веществ, имеющих отрицательный коэффициент теплового расширения. Так при повышении температуры такие материалы сжимаются. Обычно это происходит в узком интервале температур. Есть вещества, у которых коэффициент теплового расширения почти равен нулю около некоторого определенного интервала температур.

Выражение (3) применяют не только для твердых тел, но и жидкостей. При этом считают, что коэффициент температурного расширения для капельных жидкостей изменяется при изменении температуры не существенно. Однако при расчете систем отопления его учитывают.

Связь коэффициентов теплового расширения

В первом приближении можно считать, что коэффициенты линейного и объемного расширения изотропного тела связаны соотношением:

Единицы измерения

Основной единицей измерения коэффициентов температурного расширения в системе СИ является:

Примеры решения задач

Термическое расширение твёрдых тел и жидкостей — урок. Физика, 8 класс.

Термическим расширением называется изменение размеров и объёма тела под воздействием температуры.

При изменении температуры изменяются размеры твёрдых тел. Расширение под воздействием температуры характеризуется коэффициентом линейного термического расширения.

Изменение линейных размеров тела описывается формулой: l=l0(1+α⋅ΔT), где

l — длина тела;

l0 — первоначальная длина тела;

α — коэффициент линейного термического расширения;

ΔT — разница температур.

Коэффициент линейного термического расширения показывает, на какую часть первоначальной длины или ширины изменится размер тела, если его температура повысится на 1 градус.

Рис. \(1\). Удлинения различных материалов

Если рассматривать стержень твёрдого вещества длиной 1 метр, то при повышении температуры на один градус длина стержня изменится на такое число метров, которое равно коэффициенту линейного расширения.

Пример:

\(10\) км железнодорожного пути при увеличении температуры воздуха на \(9\) градусов (например, от \(-5\) до \(+4\)), удлиняются на 10000⋅0,000012⋅9=1,08 метр. По этой причине между участками рельсов оставляют промежутки.

Рис. \(2\). Поведение рельсов

На этом рисунке видно, что происходит в жаркую погоду, если между участками рельсов оставлены неверные промежутки.

Термическое расширение надо учитывать и в трубопроводах, там используют компенсаторы — изогнутые трубы, которые при изменении температуры воздуха при необходимости могут сгибаться. На рисунке видно, что произойдёт, если не будет компенсатора.

Рис. \(3\). Трубопровод

Инженерам, проектирующим мосты, оборудование, здания, которые подвержены изменениям температуры, необходимо знать, какие материалы можно соединять, чтобы не образовались трещины.

Электрикам, которые протягивают линии электропередачи, необходимо знать, каким изменениям температуры будут подвержены провода. Если летом провода натянуты, то зимой они оборвутся.

При термическом расширении металлов используют автоматические выключатели тепловых приборов. Этот выключатель состоит из двух плотно соединённых пластин различных металлов (с различными термическими коэффициентами). Биметаллические пластины под воздействием температуры сгибаются или выпрямляются, замыкая или размыкая электрическую цепь.

Рис. \(4\). Биметаллические пластины, поведение при изменении температуры

………………………………………………………………………….. Биметаллические пластины состоят из двух металлов с различными коэффициентами линейного расширения. При изменении температуры длина каждой пластины изменяется по-разному, в зависимости от этого пластины выгибаются либо вверх, либо вниз.

С изменением линейных размеров изменяется также и объём тела. Изменение объёма тела описывается формулой, похожей на формулу линейного расширения, только вместо коэффициента линейного термического расширения используется коэффициент объёмного термического расширения.

Изменение объёма тела под воздействием температуры описывается формулой: V=V0(1+β⋅ΔT), где

V — объём тела;

V0 — первоначальный объём тела;

β — коэффициент объёмного термического расширения;

ΔT — разница температур.

Коэффициент объёмного термического расширения показывает, на какую часть первоначального объёма изменится объём тела после повышения температуры на 1 градус.

Вещество	Коэффициент объёмного расширения β, K−1
Бензин	0,000124
Ртуть…	0,000110
Эфир	0,000160
Глицерин	0,000051
Нефть	0,000100
Керосин	0,000100
Спирт	0,000110
Вода	0,000180

Пример:

Если объём спирта при температуре −30°C равен 500л, то при температуре 25°C его объём увеличится на 500⋅0,00011⋅(25−(−30))=3,025л.

Из формулы изменения объёма следует, что при повышении температуры объём жидкости увеличивается, но вода в очередной раз отличилась своими уникальными свойствами, так как при нагревании воды до определённой температуры она не расширяется, а сжимается.

Рис. \(5\). Изменение объёма в зависимости от температуры

При нагревании воды с температуры таяния льда вначале у неё уменьшается объём, и только после 4°C её объём начинает увеличиваться.

Источники:

Рис. 4. Биметаллические пластины, поведение при изменении температуры. © ЯКласс.
Рис. 5. Изменение объёма в зависимости от температуры. © ЯКласс.

Коррекция объема расширительного бака

Опубликовано: 02 ноября 2015 г.

3220

Во многих регионах России устойчивая работа автономной системы теплоснабжения в осенне-зимний период обеспечивается применением теплоносителя с низкой температурой замерзания. В подавляющем большинстве случаев используются гликолевые смеси, физико-химические характеристики которых отличаются от параметров воды.

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

Уже более полутораста лет назад в России стали широко применяться системы отопления с теплоносителем. В большинстве случаев это было водяное или паровое отопление. Еще примерно через сто лет начался переход от открытых систем отопления к закрытым, важным элементом которых стал расширительный бак (экспансомат), назначение которого состояло в компенсации температурного расширения теплоносителя (рис.1).

Рис. 1. Конструкция современных мембранных баков

В том случае, если автономная система теплоснабжения была изначально спроектирована в расчете на использование в качестве теплоносителя воды, исходя из ее физических параметров подбирался тип и главное объем расширительного бака. Однако гликолевые смеси имеют другой коэффициент объемного теплового расширения, кинематическую вязкость и теплоемкость (табл.1). Поэтому смена типа теплоносителя с переходом на гликолевые смеси требует и корректировки отопительной системы, в частности, проверки емкости расширительного бака и при необходимости ее коррекции (замены бака).

Для определения массового расхода (М) теплоносителя требуется рассчитать необходимое отопительной системой количества тепла. Затем расход определяется по формуле:

M = 3,6 × ΣQ_i/c × ∆t), кг/ч,

где ΣQ_i – требуемый тепловой поток , Вт; с – удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/кг•˚С, ∆t = t_1т – t

2т – разность температур теплоносителя на входе и выходе из системы, ˚С.

Объемный расход в м³/ч определяется делением полученного значения на удельный вес теплоносителя. При смене теплоносителя значение имеет увеличение объемного расхода относительно воды – V_a/V_в,где V_а и V_в– соответственно, объемы гликолевой смеси и воды. Причем объем первой зависит также от типа гликоля и его концентрации, которые в свою очередь подбираются, исходя из условий эксплуатации. Например, при понижении температуры замерзания смеси на основе этиленгликоля от –20 до –67 ˚С объемные расходы возрастают на 6 и 12 %, соответственно (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость относительного объемного расширения от температуры теплоносителя:

а – вода; б – водный раствор моноэтиленгликоля 45 %

А в системах ГВС с бойлером косвенного нагрева можно применять только нетоксичный, но, увы, более дорогой пропиленглиголь. Коэффициент теплового расширения его растворов, значительно отличающийся от водяного, близок к соответствующим значениям моноэтиленгликолевых водных растворов (

табл.2).

Опасный воздух

Переход на антифриз может приводить к завоздушиванию отопительных систем: ведь он имеет более высокий по сравнению с водой коэффициент объемного расширения и емкости расширительного бака, рассчитанного на ее использование, что может оказаться недостаточно. Поэтому при нагреве теплоносителя до рабочих температур (в среднем 85 ˚С) его излишек может быть сброшен через предохранительный клапан. Затем при снижении тепловой нагрузки потребуется подпитка системы, которая обычно осуществляется водой. Растворенные в ней газы выделятся при нагреве и приведут к образованию воздушных пробок, появление которых чревато уже серьезными авариями.

Минимально необходимый объем расширительного бака в закрытой системе отопления можно рассчитать по формуле:

V_b = (V₁_b + ∆V_r) × (P₂ + 1)/( P₂ + P₁), м³,

где V₁_b – начальный объем теплоносителя в баке при холодной системе отопления, м³; ∆V_r – значение расширения теплоносителя при нагреве до рабочей температуры, м³; P₂ – давление в расширительном баке при рабочей температуре, бар; P₁ – давление в расширительном баке до заполнения системы теплоносителем, бар.

Значение ∆V_r рассчитывается как произведение общего объема теплоносителя в системе, среднего в рабочем температурном диапазоне коэффициента объемного расширения (k) и этого диапазона. Его значение обычно принимается равным 60 ˚С (∆t = t_ср – t₀= 80 – 20, ˚С).

При переходе с воды на антифриз важно соотношение V₂_b/V₁_b, где V₂_b и V₁_b –соответственно, объемы расширительного бака для низкотемпературного теплоносителя и воды. Замена ее на гликолевые растворы концентрацией 40–45 % и, соответственно, с температурой начала кристаллизации 30–35 ˚С в отопительных системах мощностью до 100 кВт потребует увеличения номинальных объемов расширительных баков на 5–15 %, в более производительных системах коррекцию лучше проводить, используя графики зависимости объема от мощности и типа теплоносителя (

рис.3) или таблицы пересчета.

Рис. 3. Зависимость объема расширительного бака от мощности системы отопления:

а – вода; б – водный раствор моноэтиленгликоля 45 %

Важнейший параметр для антифризов – максимальные рабочие температуры. Кипеть при атмосферном давлении большинство гликолевых растворов начинает при 104–112 °C. Однако некоторые производители заявляют рабочие температуры значительно выше, до 150 ˚С и даже больше, вполне приемлемые для гелиосистем. Принципиальное значение этот параметр имеет потому, что в отличие от воды при превышении допустимой температуры происходит необратимое разложение гликолевых растворов.

Поэтому выбор расширительного бака с запасом на запредельное увеличение температуры смысла не имеет: даже небольшой локальный перегрев приводит к столь серьезным деструктивным изменениям, что должен в принципе потребовать замены всего гликолевого теплоносителя.

Очень важно то, что гликолевые смеси имеют повышенную по сравнению с водой проницаемость или текучесть. Причем вероятность возникновения протечек тем больше, чем больше в отопительной системе соединений. А течи часто обнаруживаются при ее остывании, когда возникают проницаемые для антифриза микроканалы. Поэтому все соединения, выполненные ранее при установке расширительного бака, должны быть доступны для ревизии, не скрыты под облицовкой или замоноличены.

Таблица. 1. Физические характеристики теплоносителей

Параметр	Единица измерения	Вода	Моноэтиленгликоль 45 %	Моноэтиленгликоль 60 %
Температура замерзания	°С	0	–30	–48
Плотность*	кг/м³	972	1029	1048
Теплоемкость*	кДж/кг×°С	4,2	3,7	3,5
Кинематическая вязкость*	сС_т	0,37	1,4	1,8
Коэффициент объемного теплового расширения	°С^-1	4,5×10^-4	5,3×10^-4	6,0×10^-4

*При t = 80 °С

Таблица 2. Физические характеристики водного раствора пропиленгликоля 47 %

Параметр	Единица измерения	Значение
Температура замерзания	°С	–30
Плотность*	кг/м³	999
Теплоемкость*	кДж/кг×°С	3,82
Коэффициент расширения	°С^-1	6,73×10^–4

Статья опубликована в журнале «Аква-Терм» №3 (87) 2015, рубрика «Мастер-класс»

вернуться назад

Теплоемкость и тепловое расширение воды Текст научной статьи по специальности «Физика»

Теплоемкость и тепловое расширение воды

1 2 Д.Н. Путинцев , Н.М. Путинцев

1 Московский физико-технический институт (МФТИ)

2 Технологический факультет МГТУ, кафедра химии

Аннотация. Проанализирован механизм формирования теплоемкости воды. Установлены соотношения, связывающие колебательную и конфигурационные составляющие коэффициента теплового расширения воды с теплоемкостями Ср, CV и Сконф.

Abstract. The formation mechanism of the water heat capacity has been analysed in the paper. The équations connecting vibratory and configurational components of the expansion coefficient of the water with the Cp, CV and Cconf heat capacities have been calculated.

1. Введение

Теплоемкости CP и CV связаны друг с другом соотношением

Cp — CV = TV0c^//T, (1)

где a =(\/V)\cV/cT)P — коэффициент объемного теплового расширения, yT = -{1/V)-{cV/cP)T -коэффициент изотермической сжимаемости, Т- температура в К, V0 — молярный объем.

В настоящее время строгой теории теплоемкости жидкого состояния нет, так как теплоемкость реальных веществ определяется не только колебательным вкладом (возбуждением механических степеней свободы молекул: колебательных, вращательных, либрационных и др.), но и их энергией взаимодействия. При этом часть энергии, подводимой к телу, расходуется на активацию различного рода движений, а часть — на изменение конфигурации системы. Поэтому некоторый прогресс в разработке теории теплоемкости жидкого состояния наметился с введением в теорию концепции конфигурационных вкладов. Под конфигурационными вкладами понимаются составляющие термодинамических функций, обусловленные изменением взаимных ориентаций и числом ближайших соседей молекул. В такой интерпретации конфигурационные вклады должны иметь место в «горячих» кристаллах, жидкостях и плотных газах. В кристаллах при низких температурах и в пределах одной фазы — существует одна конфигурация в расположении структурных частиц, а теплоемкость и тепловое расширение имеют колебательную природу. и «к0„ф необходимо знать величину CK0Jl. При расчете колебательной составляющей теплоемкости движения молекул и атомов

разбиваются на независимые трансляционные, либрационные и внутримолекулярные колебания. Молекула воды во льду и в воде, обладая тремя внутримолекулярными модами, участвует в шести межмолекулярных колебаниях. Для расчета CKm необходимо знать частоты колебаний и зависимость их от температуры. Эта задача в теоретическом плане не решена, поэтому частоты колебаний в конденсированных средах определяются из эксперимента, что сопряжено с большими погрешностями.

Значения колебательной теплоемкости воды рассчитываются по функциям Эйнштейна с учетом зависимости частот (Путинцев, 1982; Анджелл, 1985) от температуры или с помощью комбинации функций Дебая и Эйнштейна (теория Борна и Кармена). По функциям Эйнштейна определяются внутримолекулярные вклады, а по функциям Дебая — межмолекулярные. Значение колебательной составляющей теплоемкости воды при температуре плавления, рассчитанное в (Путинцев, 1982) по функциям Эйнштейна, равно 36.17 Дж-моль»1-К»1. Отсюда, величина Сконф воды при Тт равна 39.76 Дж-моль»1-К»1.

При расчете колебательного вклада по функциям Эйнштейна и Дебая предполагается, что в воде молекулы Н20 участвуют в 6 межмолекулярных колебаниях, и что эти колебания распределены в двух дебаевских спектрах с характеристическими частотами 654 см-1 (196.2-10пс-1) и 168 см-1 (50.4-10пс-1). Этот метод для жидкой воды при Тт дает величину Скол 38.82 Дж-моль-1-К-1. Значение конфигурационной составляющей теплоемкости воды, определенное как (CV- CK07I), равно 37.12 Дж-моль-1-К-1. Очевидно, что для расчета теплоемкости необходимо иметь независимый метод определения колебательного и конфигурационного вкладов в теплоемкость вещества.

Рассмотрим температурные зависимости теплоемкости и коэффициента теплового расширения воды. (из соотношения 4), CV (из выражения 9) и CK07I (из соотношения 2) по экспериментальным значениям Ср, V0 и частным производным (cV/cT)p и (¿¥/сР)т.

3. Расчет колебательных и конфигурационных составляющих теплоемкости и теплового расширения

Справедливость выражений (2-9) подтверждается совпадением расчетных значений CV со справочными (табл. 1, 2).

В качестве дополнительной проверки можно использовать условия равенства Ср — CV и оСкол — \&конф\ при температуре максимума плотности воды при р — 1 атм. Изменяя знак минус на плюс перед CV в выражении (8) и, в связи с этим, заменяя аконф на \ ако„ф\, имеем:

Ср(277.13 К) — 27V0«2кол / ут — с?конф / ут.

Значения акол и аконф, полученные из этого соотношения, совпадают с соответствующими значениями, найденными из формул (6) и (7).

Таблица 1. Значения У0 (10″6 м3-моль-1), ут (10-11Па-1), С (Дж-моль»1-К»1) и а (10″4К -1) воды

при атмосферном давлении

т, к У0 Ут (Кириллин и др.) С (Кириллин и др.) а (Кириллин и др.; Ривкин и др.)

Ср Су

273.15 18.018 50.886 75.977 75.936 -0.681

277.13 18.017 49.514 75.75 75.75 0

283.15 18.021 47.811 75.517 75.438 0.879

293.15 18.048 45.895 75.332 74.844 2.066

303.15 18.095 44.774 75.270 74.139 3.031

313.15 18.157 44.243 75.272 73.368 3.конф

273.15 19.475 20.156 39.293 75.932 36.638

277.13 19.380 19.380 37.875 75.750 37.875

283.15 19.243 18.364 35.994 75.435 39.440

293.15 19.079 17.013 33.368 74.840 41.472

303.15 18.977 15.946 31.151 74.145 42.994

313.15 18.931 15.077 29.214 73.363 44.149

323.15 18.931 14.411 27.649 72.641 44.992

333.15 18.942 13.804 26.140 71.740 45.599

343.15 19.067 13.280 24.663 70.817 46.154

353.15 19.188 12.832 23.355 69.847 46.492

363.15 19.347 12.425 22.116 68.875 46.759

373.15 19.495 12.028 20.941 67.885 46.943

Процессы плавления льда и нагревания воды в некотором диапазоне температур сопровождаются одновременным увеличением 2 и Я. Например, при нагревании воды от 1.5 до 83°С величина 2 (число ближайших соседей молекулы) увеличивается от 4.3 до 4.9, а Я — от 2.90 до 3.05А (Эйзенберг, Кауцман, 1975; Скрышевский, 1980). Одновременное увеличение 2 и Я обусловлено высокой ажурностью упаковки структуры твердой и жидкой воды. Увеличение 2 ведет к уменьшению объема воды, а увеличение Я — к его увеличению. Поэтому при плавлении льда и нагревании воды в указанном интервале температуры конфигурационная составляющая отрицательна (колебательная составляющая теплового расширения всегда положительна). В интервале температур (0-3.98°С) аконф по модулю больше, чем а^. При температуре максимальной плотности (3.98°С) воды \ако„ф\ =акол. Дальнейшее нагревание воды сопровождается увеличением объема, следовательно, коэффициент теплового расширения воды положителен.

Анализ данных табл. 2 показывает, что колебательная теплоемкость при нагревании воды увеличивается. Колебательная составляющая коэффициента теплового расширения воды в интервале 0-100°С изменяется незначительно (примерно на 3 %). Теплоемкость воды при постоянном объеме и ее конфигурационная составляющая при нагревании воды от Тт до Ткип уменьшаются. Конфигурационная составляющая коэффициента теплового расширения воды отрицательна и в интервале Тпл — Ткип уменьшается по модулю.

Значения конфигурационной теплоемкости воды, рассчитанные нами (0.52Су при Тт и 0.31Су при Ткип), приблизительно равны значениям Сконф (примерно 0.5 Су при Тт и 0.35 Су при Ткип), приведенным в литературе (Эйзенберг, Кауцман, 1975; Анджелл, 1985). Значения колебательной

составляющей теплоемкости воды при Тпл (36.638 Дж-моль»1-К»1) неплохо согласуются с величиной Скол, рассчитанной в (Путинцев, 1982) по функциям Эйнштейна (36.17 Дж-моль»1-К»1) от частот внутри (ц, v2, v3) и межмолекулярных (vL и vT) колебаний. Следует отметить, что необходимые значения колебательной теплоемкости, приведенные в табл. 2, могут быть получены при соответствующем выборе значений межмолекулярных частот и их температурной зависимости.

Сравнение значений колебательной теплоемкости, рассчитанных по спектральным данным вещества и разным моделям теории теплоемкости, с данными табл. 2 настоящей работы, показывает, что колебательные вклады в теплоемкость близки. Следовательно, результаты данной работы могут быть полезны для расшифровки спектров вещества, определения температурной зависимости спектральных частот и в выборе методов расчета колебательных вкладов.

4. Заключение

В работе рассмотрен механизм формирования теплоемкости жидкостей. Установлены соотношения между теплоемкостями Ср, CV и Ско„ф с колебательным и конфигурационным вкладами в тепловое расширение воды. Показано, что идея о разделении теплоемкости и теплового расширения на составляющие является плодотворной и приводит к новому и более глубокому пониманию процессов плавления и нагревания вещества.

Литература

Анджелл К. А. Переохлажденная вода. В сб.: Вода и водные растворы при температурах ниже 0°С. Под

ред. Ф. Франкса. Киев, с.13-72, 1985. Зацепина Г.Н. Свойства и структура воды. М., МГУ, 167 е., 1974.

Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М., Энергоиздат, 416 е., 1983.

Попов Н.К., Федоров К.Н., Орлов В.М. Морская вода. Справочное руководство. Под ред. чл.-корр. АН

СССР A.C. Монина. М., Наука, 327 е., 1979. Путинцев Н.М. О двух составляющих коэффициента теплового расширения воды. Журн. физ. химии,

т.56, № 9, c.2298-2299, 1982. Ривкин С.Л., Александров A.A., Кремневская Е.А. Термодинамические производные воды и водяного

пара. М., Энергия, 264 с., 1977. Скрышевский А.Ф. Структурный анализ жидкостей и аморфных тел. М., Высшая школа, 328 е., 1980. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л., Гидрометеоиздат, 279 е., 1975.

Линейное тепловое удлинение материалов

Расчет температурного линейного расширения

Так же, как и здание после строительства может дать «усадку», некоторые материалы, напротив, со временем увеличиваются или удлиняются. Это явление в физике называется тепловым расширением, потому что возникает оно по мере того, как на твердое тело воздействует высокая температура. Оно становится причиной увеличения площади, поэтому фактор расширения необходимо принимать во внимание при строительстве автомагистралей и зданий.

К примеру, при возведении дома с железобетонными элементами в климатических условиях, близким к тропическим или южным, строители могут не учесть вероятность линейного расширения. Впоследствии увеличенные металлические конструкции могут привести к повреждению других механизмов и преждевременному разрушению всей конструкции.

Подобный пример можно привести и при строительстве железнодорожных рельс. Нагреваясь под прямыми лучами солнечного света, молекулы металла расширяются и удлиняются. В холодное время года рельсы напротив, укорачиваются. Хотя это сложно заметить невооруженным взглядом, с целью безопасности нужно учитывать это при строительстве с применением не только металла, но и камня, даже пластика.

Как определить температурное линейное расширение

Чтобы избежать негативных последствий расширения материалов, используются специальные термометры. Они чувствительны к малейшим изменениям температуры. Но лучше предусмотреть возможные изменения и перестраховаться еще на стадии планирования производства. Для этого разработан онлайн-калькулятор, который моментально демонстрирует:

коэффициент линейного теплового расширения;

удлинение по осям Х, Y и Z;

величину, на которую удлиняется материал при заданной температуре.

Все, что нужно сделать для этого – выбрать из выпадающего списка нужный материал, выбрать его параметры: толщину, дину и ширину. Если нужно конкретно узнать его состояние при той или иной температуре, можете выбрать и эту функцию на сайте. Отметим, расчеты проводятся относительно начальной температуры материала 0°C. Ответы выдаются на анализе коэффициентов линейного теплового расширения, и расчетам, которые уже проведены и запрограммированы на сайте. Система реагирует на изменения и самостоятельно выполняет подсчет.

Какие материалы чаще всего подвергаются расширению

Прежде всего, это – металлы: алюминий, купрум, медь. Среди камней можно отметить гранит базальт, кварцит и даже кирпич. Аналогично на высокие температуры реагируют дерево, сложные штукатурки и стекло. Из вышеперечисленных материалов наименьший коэффициент теплового расширения имеют:

клинкерный и стеновой кирпич;

дерево;

штукатурка;

базальт;

стеновой кирпич.

Для сравнения, наибольший показатель – у алюминия, стали и меди. К примеру, КТЛР алюминия составляет 24•10-6 1/град, что в 2 раза больше, чем у стали. Поэтому монтаж трубопровода невозможен без предварительных расчетов, особенно если планируется использовать алюминиевые трубы для горячего водоснабжения или отопления. Изменение длины трубопровода при перепадах температуры определяется по формуле

dL = a • l • (tmax – tc), мм, где:
а – КТЛР материала, из которого изготовлена труба или другое изделие;

tmax – наибольшая температура, которой достигает теплоноситель;

tс — температура окружающей среды на момент установки конструкции;

l — длина трубопровода.

Также есть специально составленные таблицы значений среднего температурного коэффициента линейного расширения различных материалов. Но прибегать к ним и сложным расчетам не обязательно, если под рукой есть интернет и безошибочное решение можно получить с помощью калькулятора за считанные минуты.
Расширение кирпича при нагреве. Онлайн расчет температурного линейного расширения материалов, металлов, камней, пластиков

Коэффициенты линейного расширения строительных материалов
В таблице представлены значения коэффициента линейного расширения строительных материалов (КТЛР) и некоторых металлов при температуре до 100°С. Размерность коэффициента расширения в таблице — м/(м·°С) или 1/град (К-1).
В таблице рассмотрены: алюминий Al, медь Cu, сталь, гранит, базальт, кварцит, песчаник, известняк, стеновой кирпич, клинкерный кирпич, силикатный кирпич, легкобетонные камни, газобетонные блоки, бетон, железобетон, цементный раствор, известковый раствор, сложные штукатурки, дерево, параллельно волокнам, стекло.
Из указанных строительных материалов наиболее низким коэффициентом теплового линейного расширения обладает клинкерный кирпич (его КТЛР равен 3,5·10-6 1/град), а также древесина, штукатурки, стеновой кирпич и базальт. Следует отметить, что высокий коэффициент теплового расширения свойственен металлам таким, как алюминий, медь или сталь. Например, коэффициент линейного расширения алюминия равен 24·10-6 1/град, что в 2 раза больше, чем у стали.
Коэффициент теплового линейного расширения показывает на сколько (относительно размера тела) удлинится материал при увеличении его температуры на 1 градус.
Чтобы вычислить увеличение линейных размеров материала за счет теплового расширения, необходимо умножить значение температурного коэффициента линейного расширения на линейный размер материала и на разность температур в градусах Цельсия или Кельвина. Например, стеновой кирпич (КТЛР= 0,000006 град-1) длиной 240 мм при нагревании на 100 градусов удлинится на 0,144 мм.
По значениям коэффициентов теплового расширения в таблице видно, что указанные строительные материалы и металлы имеют положительный коэффициент линейного расширения, то есть увеличивают свои размеры (расширяются) при нагревании.
Источник:В. Блази. Справочник проектировщика. Строительная физика. М.: Техносфера, 2004.
thermalinfo.ru
Сравнение шамота и кирпича
Шамотные изделия для печей и каминов
Как строят теплоёмкие печи в России?
Как строят теплоёмкие печи в Германии?
Из чего кладут теплоёмкую печь?
в России
в Германии
в Германии
В чём разница?
Область применения
Химический состав
Устойчивость к перепадам температур (TWB)
Физические свойства:
плотность,
влагопоглощение,
открытая пористость,
прочность на изгиб
огнеупорность
Температурное расширение
Область применения
Шамотный камень (Россия) Огнеупорный камень для кладки промышленных печей (стекловаренных и металлургических) с постоянной температурой применения 1200-1500°С
Печной кирпич (Россия) Для кладки каменных и армокаменных наружных и внутренних стен зданий и сооружений, а также для кладки фундаментов и печей. Классический строительный материал, полученный методом экструзии из легкоплавкой глины, температура обжига 1000 ° C.
Изделия из шамота разработаны и используются исключительно для строительства печей и каминов!
Химический состав
Шамотный камень (Россия)Большое содержание кристобалита, из-за которого материал имеет высокое температурное расширение при температуре выше 200°С, высокое содержание кварца
Печной кирпич (Россия)Кирпич имеет высокое содержание кварца, и, следовательно, высокое относительное расширение в диапазоне темперуратур от 500 ° C. Отсутствие добавки шамота и наличие зёрен известняка определяет низкий показатель TWB
Изделия из шамота соответствуют всем европейским требованиям к печному шамоту.
Устойчивость к перепадам температур (TWB)
Шамот (Россия) — 16 циклов
Кирпич (Россия) — 2-9 циклов
Шамот — 30 циклов!
Физические свойства
Плотность, кг/м3
2,085
1,88
1,85-1,95
Влагопоглощение, %
10,51
16,21
15-17
Открытая пористость, %
21,80
30,47
27-31
Прочность на изгиб, мПа
6,44
1,31
3-6
Огнеупорность, °С
1650
1200
1635 -1680
Рабочая температура, °С
1200-1500
500-600
1200
Результаты испытаний (шамот)
Протокол испытаний. Февраль 11
Огнеупорный строительный материал
Обозначение пробы: ША-5
Размеры: 230 x 114 x 66,5 мм
Вес: 3,56 кг
Цвет: желтоватый
Влагопоглощение, плотность и открытая пористость
28,80
31,75
17,92
10,24
2,082
21,33
32,12
35,46
20,02
10,40
2,080
21,63
33,58
37,12
20,92
10,54
2,073
21,85
24,50
27,12
15,28
10,69
2,069
22,13
28,16
31,16
17,55
10,65
2,069
22,04
Прочность на изгиб, мПа
50
19,61
25,70
844
6,40
50
20,54
25,80
1054
7,26
50
19,71
25,94
825
6,14
50
18,81
26,10
754
6,12
50
19,16
25,99
795
6,25
Анализ расширения-усадки
8,81
7,20
8,81
7,33
0,593-1018°С
0,591
Устойчивость к перпадам температур, циклы 10, 16, 30
Результаты испытаний (кирпич)
Протокол испытания. Февраль 11
Огнеупорный строительный материал.
Обозначение пробы: Кирпич
Размеры: 252,5-254 x 120-123 x 64-66 мм
Вес: 3,76 кг
Цвет: красноватый
Влагопоглощение, плотность и открытая пористость
42,18
49,08
26,62
16,36
1,878
30,72
32,26
37,51
20,32
16,27
1,877
30,54
36,89
42,80
23,22
16,02
1,884
30,18
38,91
45,23
24,54
16,24
1,881
30,55
46,09
53,54
29,00
16,16
1,878
30,36
Прочность на изгиб, мПа
50
22,63
26,99
322
1,75
50
23,30
26,39
238
1,25
50
23,62
27,13
175
0,87
50
23,37
26,30
229
1,20
50
27,00
32,33
473
1,51
Анализ расширения-усадки
8,33
7,00
5,74
8,33
0,669-993°С
0,667

1000
16,21
1,880
30,47
1050
12,32
1,993
24,54
1080
7,24
2,185
15,83
1100
3,74
2,249
8,41
1120
1,01
2,201
2,23
Уйстойчивость к перепадам температур, циклы 2, 3, 9
В чём разница?
Температурное расширение
DL при Т=200°С, %
8,81
5,7
4,1
DL при Т=400°С, %
7,31
6,4
4,5
DL при Т=600°С, %
7,30
8,5
5,9
DL при Т=800°С, %
6,74
7,3
5,5
DL при Т=1000°С, %
6,14
6,9
4,8
Коэффициент aср., %
7,2
7,0
4,96
Выводы: Кирпич
Кирпич непригоден для использования в топке или в области высоких температур
Может применяться для внешней оболочки (полностью или частично)
Недостатки внешней оболочки из кирпича:
большой объём
большой вес
трудоёмкий продолжительный монтаж
Выводы: Шамотный камень российского производства
Шамотный камень российского производства простоит какое-то время в топке благодаря, в том числе, и малому формату камня. Однако, неизбежно появление трещин в конструкции вследствие высокого линейного удлинения в области температур от 100 до 500°С. Показатель устойчивости к перепадам температур (TWB) не соответствует современным требованиям.
Выводы: Шамот
Разнообразие элементов заводской готовности с геометрически точными размерами
Отдельные элементы для топки, внутренней и внешней оболочек печи или камина
Более 40 вариантов комплектов топок
Дополнительные поеросверхности нареагрева
Готовые печи с многовариантной отделкой
Возможность выполнения печи или камина любой формы и размера
Смеси, адаптированные для работы с шамотом
10 марок шамота для различных областей использования
Решения, проверенные многолетним опытом
Инструменты для работы с шамотом HBO+
инструмент для влажной резки
мгновенный результат!
Смесь Универсал HKM
Можно использовать от топки до внешней оболочки
Имеет одинаковое удлинение с шамотом HBO+, обеспечивает прочные швы, напряжение в швах отсутствует
Представляет собой Смесь на керамическом вяжущем с органическими добавками, гарантирует прекрасное схватывание с поверхностью
Керамическая смесь с бесподобным схватыванием
Смесь Универсал HM
Смесь экстремально сильного схватывания
Представляет собой
Универсальную смесь быстрого схватывания,
Затворяется водой
Имеет
экстремальную прочность
смесь состоит из частиц размером 0-1 мм
время использования около 15-20 минут
Смесь НКМ и кирпич
ecokeramika.ru
Толщина швов при кладке печи. Секреты при кладке печи. Vip-Ochag.ru
Основные правила кладки печи
Регистрация: 21.11.10Сообщений: 418Регион: Тульская область
Основные правила кладки печи
В качестве хобби занимаюсь кладкой печей как для себя, так и для друзей, знакомых и соседей. Профессионалом себя не считаю, но попробую кратко сформулировать основные правила которых нужно придерживаться при кладке печи или камина. Конечно, кроме этого есть много хитростей и тонкостей в печном деле, которые сразу не припомнишь, да и писать придется очень долго. Надеюсь данная информация поможет тем, кто желает сложить печь своими руками.
Фундамент под печь делают железобетонным на глубину чуть меньше глубины заложения фундамента здания. Допускается делать столбчатый фундамент с перекрытием деревянными брусками (например 150х150). По высоте фундамент не доводят до уровня чистого пола примерно на 1-2 ряда крипичной кладки. Обязательно применять гидроизолирующий слой между фундаментом и основным массивом печи. Нельзя связывать печной фундамент с фундаментом здания из-за того, что нагрузки сильно различаются, фундаменты будут гулять относительно друг друга и связь быстро разрушится. Либо же печь надо ставить прямо на железобетонную плиту перекрытия нижнего этажа.
При поиске проекта для своей печи, старайтесь выбрать такую конструкцию, чтобы при топке все части печи прогревались равномерно. Тогда кладка не будет трескаться и печь прослужит долго.
Кирпич для кладки печи или камина выбирают красный полнотелый марки М200, хорошего качества, без трещин, правильной геометрии, с минимальным разбросом размеров от кирпича к кирпичу. Неплохой кирпич делают в Беларуссии на Витебском кирпичном заводе. Нельзя применять кирпичи изготовленные методом сухого прессования — такие кирпичи отличаются красивым внешним видом и правильной геометрией, но не выдерживают высоких температур и быстро расслаиваются. Чисто печной кирпич сейчас не производят, поэтому выбирайте лучшее из того строительного кирпича, что предлагается на рынке. Качество кирпича можно определить простукиванием молотком — звук должен быть чистым, звенящим.
Раствор готовят из смеси глины и песка. Ни в коем случае не допускается добавление цемента. Глину можно накопать у себя на участке. Соотношение глины и песка зависит от жирности глины и обычно колеблется в пределах от 1:2 до 1:3 (1 часть глины, 3 части песка). Песок желательно применять смешанный — горный/карьерный и речной в соотношении 1:1. У горных песчинок острые кромки и он лучше сцепляется в растворе с частицами глины, в результате чего образуется более прочная смесь. Перед приготовлением раствора песок просеивают через металлическую сетку с размером ячеек 1-1.5 мм. Раствор тщательно перемешивают до однообразной массы густоты сметаны.
При кладке нужно соблюдать следующие правила: -обязательная перевязка швов на 1/2 или в крайнем случае 1/4 кирпича. -вертикальность всех углов отслеживать по отвесам -швы между кирпичами не должны превышать 5 мм -раствор удобнее укладывают на кирпич рукой, а не мастерком-недопустимо проводить кладку при температуре около 0 градусов и ниже -швы должны полностью заполняться раствором, для этого раствор наносят на кирпич немного больше необходимого, а при кладке надавливают на кирпич рукой, чтобы выдавить излишки.
Металлические дверки не должны вплотную прикасаться к кирпичам, так как при сильном нагреве они расширяются и разрушают кладку. Чтобы избежать этого между рамкой дверок и кирпичами прокладывают асбестовый шнур смоченный в глиняном растворе.
Вообще, футеровка это специальная отделка для обеспечения защиты поверхностей от возможных механических или физических повреждений. Футеровка в печном деле — это выкладывание внутренней поверхности печи дополнительным рядом кирпичей. Как правило это делается без перевязки его с основным массивом печи, благодаря чему топку в дальнейшем можно легко отремонтировать, заменив футеровочную кладку.
По этим причинам желательно выбирать такой проект печи, где топку изнутри можно отфутеровать шамотным огнеупорным кирпичем поставленным на ребро. Благодаря этому можно застраховаться от недостаточно качественного красного кирпича, который может быстро разрушиться в зоне высоких температур. Перевязывать в кладке красный кирпич с огнеупорным крайне нежелательно из-за разных коэффициентов теплового расширения красного и шамотного кирпича.
P.S. Если есть вопросы — задавайте, с радостью отвечу.
_________________ Хочу стать Сельским Хозяином
Регистрация: 14.01.11Сообщений: 178
Определение размеров печей по А.Рязанкину.
Определение размеров печейРазмер печей обычно определяют на основе расчета теплопотерь отапливаемых помещений. При неправильном расчете или выборе печи она может давать либо много тепла, либо, наоборот, мало. Построенная по правильным расчетам печь должна отдавать в среднем в час столько тепла, сколько его теряет помещение за такой же период.
Рассмотрим, как определить размер печи на конкретном примере.
Прежде всего, рассчитывают ее теплоотдачу. Для этого кубатуру помещения (определяется по наружному периметру) умножают на 21. Число 21 — это количество тепла в килокалориях, требуемое для обогрева 1 м3 помещения до температуры +18 °С и при наружной температуре воздуха до -30 °С.
Предположим, что имеется дом размером 7×8 м по наружному обмеру и высотой помещения 3 м. Стены кирпичные толщиной 54 см. В доме две жилые комнаты, кухня и прихожая.
Вначале будем подбирать печь для кухни и прихожей. Объем кухни составляет 63 м3 (3,5x6x3), прихожей — 22,2 м3 (3,7х х2хЗ), а всего — 85,2 м3 (63+22,2).
Рассчитываем величину излучения тепла таким объемом: 21х 85,2=1789,2 ккал/ч.
Каждый квадратный метр зеркала печи выделяет в среднем 300 ккал/ч. Для определения его площади делим 1789,2 ккал/ч на 300 ккал/ч и получаем 5,9 м2. Округлим до 6 м2.
Чтобы найти размеры печи, следует полученную площадь зеркала печи разделить на активную высоту печи, т. е. высоту, которая нагревается. В данном случае она равна 2,2 м. После деления площади зеркала печи на ее высоту получим периметр печи — 6:2,2=2,7.
Данную величину нужно разделить на 2 для получения суммы длины и ширины. Она составит 1,35 м (2,7:2).
Учитывая, что одна стена печи выходит в кухню и минимальный ее размер может составлять 51 см, то длина ее будет 84 см (1,35 м-0,51м).
По аналогии с этим примером можно рассчитать размеры печи для любого помещения.
06.04. Автор статьи Виталий Кострюков.
Важным фактором надежности кладки является раствор, который используется для строительства печей. Ни для кого не секрет, что правильный подбор соотношения глины и песка будет существенно влиять на срок службы отопительной конструкции, а так же на надежность и качество ее работы. Опытный печник на глаз определяет какого составляющего много, а какого не хватает в готовом растворе. Если много вяжущего материала (глины), то при высыхании швы покрываются трещинами, что в процессе эксплуатации может вызвать засасывание воздуха в различные части печи, значительное снижение тяги и температуры дымовых газов. Если в растворе мало глины, то раствор будет сыпаться и в процессе эксплуатации быстро выкрошится.
Для точного определения правильного подбора соотношения глины и песка существует множество способов, которые подробно описаны практически во всех книгах по печному делу. Поэтому уделять этому внимание мы не будем. Лучше поговорим о качестве самого раствора и толщине швов. А вот это интереснее.
У каждого мастера (или почти у каждого) есть свои отработанные методики приготовления глиняно-песчаного раствора. Многие мастера вообще не заморачиваются подготовкой глины, просеиванием песка и отмериванием пропорций. Просто покупают готовую смесь и добавляют ее в воду. А для некоторых это целое священнодействие. Сначала отыскивается подходящее место для копки глины, затем длительное замачивание в бочке, где глина хряснет (напитывается водой), затем смешивание с просеянным карьерным песком. Написано коротко, а работы много. Но оно того стоит. Опытные печники точно знают, что приготовленный в ручную раствор на поверку оказывается лучше того, что продается в готовом виде.
Толщина швов печной кладки. Вы уверены, что чем тоньше шов, тем лучше? Многие печники уверены. И стараются сделать его как можно тоньше. Но давайте разберемся в этом поподробнее. Физические явления: тепловое расширение, давление и деформация никто не отменял. А в каждой печи эти явления происходят всегда, когда она находится в эксплуатации. Тонкий шов хорош лишь тем, что он имеет лишь небольшую степень выкрашивания. Он все равно будет выкрашиваться, т.к. кирпич при нагреве изменяет размер и непосредственно давит как на вертикальные, так и на горизонтальные швы. Вопрос времени. Толстый шов (давайте определим его в 10мм.) так же будет выкрашиваться, но в большей степени. Не волнуйтесь полностью горизонтальные швы не выкрашиваются никогда. Они ссыпаются (особенно внутренние швы) на глубину от 5 до 15 мм. И все. Вы разбирали старые печи, построенные из старого кирпича? Тогда вы должны это помнить. Какие там швы? Да уж, не 3-4 мм. а все 10-15 мм. Это обусловлено ровностью кирпича. Он был далеко не ровный и его геометрия далека от эталона. А теперь вопрос? Как вам расчистка швов кладки для осуществления ремонта старой печи? То-то и оно. Швы легко вычищаются и кирпичи вынимаются из кладки без проблем. А теперь представьте как вы будете это делать с кладкой как на фотографии со спичкой. Без отбойного молотка точно не обойдетесь. И растревожите всю кладки печи. Вибрация сделает свое пагубное дело. Получается, что печи с толстыми швами более ремонтнопригодны, чем с тонкими.
Тепловое расширение кирпича. При нагреве керамический кирпич имеет свойство расширяться. Впрочем как и подавляющее большинство материалов. В общем массиве печи расширение будет весьма ощутимо. И вот тут снова возникает вопрос? У какого материала (кирпич и глиняно-песчаный шов) плотность выше? Конечно у кирпича, ответите вы. И будете, безусловно, правы. У глиняно-песчаного шва плотность значительно меньше, тепловое расширение тоже. Толстый вертикальный шов (повторюсь 10 мм.) будет служить демпфером между увеличившимися в размере керамическими кирпичами. И соответственно кладка с толстыми кирпичами более стойкая к разрушению. Компенсаторная работа тонкого шва практически равна нулю. И кирпичи в процессе нагрева будут давить друг на друга, нарушая целостность кладки. И чем выше марка кирпича, тем выше расширение керамики. Настоятельно не рекомендую строить печи из кирпича марки 300-500 без шамотного ядра, или футеровки (защиты) наружной кладки. Прямое воздействие высоких температур дымовых газов на полнотелые кирпичи LODE (лодэ) марки М:500 однозначно вызовут растрескивание швов кладки.
Для керамических кирпичей я не встречал замеры линейной усадки. Для промышленного шамотного кирпича ША-8 такие замеры проводились. Линейная усадка шамотного кирпича составляет 1% на длину тела при температуре 1350 градусов по Цельсию. Соответственно при температуре в 700 град. шамотный кирпич расширится на 1,2 мм. Даже если каждый керамический кирпич расширится на 0,6 мм. то кладка в 5 кирпичей удлинится на 3 мм. А это, поверьте, очень много. Отсюда и микротрещины в швах кладки и необходимость периодического косметического ремонта. А как иначе? Это физика.
Следующий момент. Толстые швы печной кладки имеют не только меньшую плотность, но и определенную пористость. Эта пористость (неплотность) может служить воздухозабором во внутренние части печи, что незначительно, но снижает температуру газов в системе дымоходов. Подсос воздуха может осуществляться и через неплотности дверок чисток и задвижек. Проверить печь на наличие неплотностей в швах кладки можно следующим образом: Растопите печь и через 15-20 минут полностью закройте задвижку. Через неплотности швов кладки (из-за повышенного давления в дымоходах) будут выходить тоненькие струйки дыма. Отметьте эти точки на кладке. А в последствии расширьте и плотно заполните свежим раствором эти слабые места.
Подведем итоги: эта заметка не является догмой, оспариванием чьих-то наблюдений, или руководство к действию. Просто мысли в слух. А там сами решайте какие доводы для вас важнее. Мифическая крепость кладки с тонкими швами, или нормальная и долгая работа печи с толстыми швами.
тонкие швы не являются показателем качества печной кладки

тонкие швы затрудняют ремонт печи как текущий, так и капитальный

не работают в качестве декомпрессионных прокладок

красиво смотрятся только на безупречно ровном кирпиче

Относительно толстые 7-10 мм. швы печной кладки. на мой взгляд, гораздо предпочтительнее. Даже имея определенные недостатки, такие как подсос воздуха, они определенно выигрывают в практичности их применения. Печи, построенные с использованием правильно приготовленного раствора, и с нормальными швами прослужат вам верой и правдой долгие годы. Удачи!
Добавить комментарий
Кладка печи. Конструкции сводов, окон и вспомогательных узлов печи, их назначение
Ограждение печей из огнеупорных и теплоизоляционных материалов называется кладкой или футеровкой. Футеровка является ответственной частью всех промышленных печей. От ее службы зависит надежность работы печи и длительность кампании. Элементами футеровки являются под, стены и свод .
Кладка должна быть, по возможности, непроницаемой для расплавленных металлов и шлаков, а также для печных газов.
В зависимости от требуемой тщательности работы кладку разделяют на категории, для каждой из которых допустимая толщина шва строго регламентирована:
а) особо тщательная. со швами толщиной не более 1 мм – для футеровки плавильных печей в местах возможного контакта с жидкой средой;
б) тщательная. со швами толщиной не более 2 мм – для футеровки, подвергающейся истирающему воздействию и для нагревательных печей с температурой до 1400 °С;
в) обыкновенная. со швами толщиной не более 3 мм – для футеровки, неконтактирующей с жидким металлом и шлаком, и для нагревательных печей с температурой до 1200 °С;
г) простая. со швами толщиной до 4 мм – для выполнения нижних слоев пода.
Рабочий слой футеровки в местах, где требуется наибольшая плотность, выкладывают особенно тщательно со швами не более 0,5 мм. При кладке боровов допускается шов толщиной до 5 мм, а при наружной облицовке печи красным или изоляционным кирпичом толщину шва принимают равной 8-10 мм. Кирпич в кладке может располагаться по разному – на плашку, на торец или на ребро (рис. 2.2) с обязательным смещением швов (с перевязкой). Это делает кладку более устойчивой и плотной. Огнеупорный слой кладки с теплоизоляционным обычно не перевязывают, так как они имеют разные коэффициенты термического расширения, что при нагреве кладки может привести к ее разрушению.
Для компенсации термического расширения кладки в ней предусматривают температурные швы. размеры которых зависят от рабочей температуры и от применяемого для кладки материала. Ширина термических швов колеблется в пределах от 5 до 15 мм на 1 м кладки .
а – на плашку; б – на ребро; в – на торец; г – ложковая кладка; д – тычковая кладка
Рис. 2.2 – Расположение кирпича в кладке
Под печи выкладывают или прямо на фундамент или на стальные листы, опирающиеся на балки. Воздушный зазор, образующийся при этом между подом и фундаментом, предохраняет последний от перегрева.
Под печи часто подвергается механическим ударам загружаемых материалов и химическому действию окалины или жидкого металла, поэтому его всегда выполняют многослойным
Нижние ряды (выстилка) кладут на плашку из теплоизоляционного или красного кирпича. Верхние ряды выполняют из огнеупорных материалов, выбираемых в соответствии с условиями службы. Кладку ведут на ребро или торец с обязательным соблюдением перевязки швов. Иногда верхний ряд пода выкладывают «в елку». В плавильных печах рабочий слой обычно выполняют бесшовным — набивным или наварным. Кладка пода приведена на рис. 2.3.
а – простая на ребро; б #8209; в елку
Рис. 2.3 – Кладка подины нагревательных печей
В доменных печах под (лещадь) выполняют из блоков. Толщина пода термических и нагревательных печей, в зависимости от их размеров и рабочей температуры составляет 230-465 мм. В плавильных печах она достигает 1200 мм, а в доменных печах лещадь кладут толщиной 5 м и более.
Кладку стен ведут, как и пода, с перевязкой швов, для чего меняют положение кирпича, чередуя тычковые и ложковые ряды (кирпич, уложенный длинной стороной параллельно плоскости стены, называется ложковым. а уложений перпендикулярно – тычковым ).
Кладку стен нагревательных печей ведут строго вертикально, а стены плавильных печей, с целью повышения их стойкости, часто делают наклонными с толщиной, уменьшающейся кверху.
Стены выполняют двух- или трехслойными. Внутренний рабочий слой выкладывают из огнеупорного материала, отвечающего требованиям, зависящим от характера работы печи. Он должен иметь необходимую огнеупорность, химическую и механическую стойкость. Наружный слой делают из теплоизоляционного материала, назначение которого снизить потери тепла через кладку теплопроводностью.
Иногда стену выполняют из нескольких слоев (например, динас-шамот-изоляционный). Каждый слой кладут самостоятельно и только при высоте стен более 2,5-3,0 м огнеупорную кладку для повышения прочности перевязывают с изоляционной через каждые 5-6 рядов. Для повышения стойкости стен большой высоты в ряде случаев применяют анкерное крепление кладки.
Толщина стен нагревательных печей колеблется от 0,345 до 0,565 м, плавильных 0,9-1,1 м; доменных печей 1,1-1,6 м.
В печах периодического действия стены, по возможности, выполняют из легковесных материалов с целью снижения потерь на аккумуляцию тепла кладкой. При выполнении футеровки электрических печей для экономии электрической энергии слой тепловой изоляции делают толще, чем в топливных печах.
Своды печей выполняют арочными, купольными или подвесными .
Арочные своды применяют при ширине пролета до 3 м. Для металлургических печей преимущественно применяют арочные своды с центральным углом 60. 90, 120 и 180° (соответственно рис. 2.4 а-г).
Рис. 2.4 – Схемы сводов
На основании практических данных установлены следующие соотношения и определения радиуса R и стрелы свода f:
Для печей чаще принимают R = В, т. е. радиус равный ширине пролета B, для боровов R = 0,5 В. Толщина свода S обычно равна длине кирпича – 230, 250 или 300 мм. Если свод выполняют из двух рядов кирпича по толщине, то ряды (акаты) не перевязывают друг с другом. Своды нагревательных печей выполняют с изоляцией, применяя для этого засыпку толщиной 65-230 мм. Своды плавильных печей обычно делают без тепловой изоляции во избежание перегрева и быстрого их износа.
Купольными сводами называются своды круглых печей. Их выполняют целиком из фасонного кирпича.
Подвесные своды нагревательных печей применяют при ширине пролета более 3 м. Для их выполнения используют фасонные кирпичи из шамота класса А и каолина, в местах пережимов (криволинейные участки сводов методических печей) применяют высокоглиноземистые кирпичи. Примеры выполнения подвесных сводов показаны на рис. 2.5. Как правило, подвесные своды выполняются однослойными без применения теплоизоляции во избежание перегрева металлических элементов, на которых крепятся фасонные кирпичи, с последующим обрушением сводов.
Рис. 2.5 – Примеры выполнения подвесных сводов нагревательных печей
Своды плавильных печей очень массивны, поэтому их выполняют распорно-подвесными, при этом часть веса свода передается через подпятовые балки на стойки каркаса. Часто, во избежание перегрева сводов плавильных печей, устраивается принудительное воздушное охлаждение наружной поверхности свода с использованием вентилятора.
Съемные своды электрических печей или крышки нагревательных колодцев монтируют в специальных металлических рамах, воспринимающих все нагрузки и обеспечивающих их длительную службу.
studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам. Ваш ip: 193.106.222.137
Источники: http://www.forumfermer.ru/viewtopic.php?t=53start=10, http://kamin.studio/blog/30-tolshchina-shvov-pechnoj-kladki, http://studopedia.ru/5_6288_kladka-pechi-konstruktsii-svodov-okon-i-vspomogatelnih-uzlov-pechi-ih-naznachenie.html
Комментариев пока нет!
vip-ochag.ru
Температурные деформации заполнителя.
Температурные деформации и коэффициенты линейного расширения различных видов заполнителей в интервале температур от 20 до 800° сильно отличаются друг от друга. Наибольшими температурными деформациями характеризуется песчаник, а наименьшими до температуры 525°— известняк, а при более высоких температурах — базальт. Рассматривая характер изменения свойств цементного камня при нагревании, необходимо остановиться на температурных деформациях и коэффициенте линейного расширения различных видов заполнителей. При температуре 300° деформация кристалличеокого известняка превышает деформацию мелкозернистого базальта в 5,5 раза.
Коэффициент линейного расширения шамотного кирпича в температурном интервале от 20 до 1300° равен 6 х 10-б — 8 х 10-6.
Рис. 44. Линейная температурная деформация различных видов заполнителя: а: 1—песчаник; 2—шлак доменный; 3—диабаз; 4—известняк; 5—обыкновенный глиняный кирпич; 6—базальт; б: 1—гранит крупнозернистый; 2—известняк кристаллический; 3—галька кварцевая; 4—диабаз; 5—известняк-ракушечник; 6—песчаник; 7—шлак доменный; 8 — базальт мелкозернистый.
Ввиду того, что большинство минералов при нагревании деформируется неодинаково по различным осям кристалла (например, кварц, кальцит, полевой шпат), то это вызывает появление значительных внутренних напряжений в заполнителе, содержащем такие минералы. При температуре 573° происходит превращение кварца из β в а -модификацию, сопровождаемое значительным увеличением объема минерала. В результате горные породы, содержащие кристаллический кварц, при нагревании значительно снижают свою прочность и термическую стойкость. Введением в цемент соответствующих микронаполнителей можно добиться получения затвердевшего цемента со специальными свойствами. Так, например, известно, что различные тонкомолотые добавки не одинаково влияют на усадочные явления, происходящие в цементном камне в процессе его нагревания.
При нагревании в определенном температурном интервале происходит расширение цементного камня, но при большем нагревании начинается сокращение объема, превышающее по своим размерам первоначальное расширение.
Рис. 45. Коэффициент линейного (температурного) расширения различных видов заполнителя: с: ,1—песчаник; 2—шлак доменный; 3—диабаз обыкновенный глиняный кирпич; 5—базальт; 6—известняк; б: 1 — гранит крупнозернистый; 2—известняк кристаллический; 3—галька кварцевая; 4—диабаз; 5—известняк-ракушечник; 6—песчаник; ,7—шлак доменный; 8—базальт мелкозернистый.
Расширение изделий при нагревании прекращается в температурном интервале 200—355°. Возвращение изделия к нормальным размерам происходит в интервале 370—560°. Обожженная глина, доменный шлак и пемза уменьшают сокращение цементного камня, а трасс, трепел и сиштоф значительно его увеличивают. Из приведенных кривых (рис. 47) следует, что во всех случаях при повышении температуры от 100 до 200° изделия сначала расширяются, а затем сокращаются. Изделия из затвердевшего портландцемента расширяются при повышении температуры до 175°, а при дальнейшем повышении ее начинается сокращение объема.
www.stroimt.ru
Как сложить печь своими руками (фото и видео)
Материалы для печиКамни.
В каменку своими руками закладывается 1-5 кг камней. У камней в баню должен иметься высокий удельный вес, высокая теплоемкость, высокая температура плавления, механическая прочность.
Схема печи.
Можно применять такие породы, как гранит, базальт, кварцит.
Запрещается применять:
Осадочные породы, которыми выступают известняк, ракушечник, доломит с большим содержанием карбонатов кальция, магния.
По той же причине запрещено применять мрамор — это метаморфическая порода с карбонатами. При нагреве данные породы будут превращаться в известь. В том случае если нагретый мрамор либо же известняк полить водой, то получится известковое тесто с большим газообразованием. Притом возможно отравление и получение химического ожога.
Камни с большим содержанием кремния. Они также опасны, потому как кремний в процессе нагревания трескается и мелкие острые куски могут разлететься и травмировать.
Еще не подходят камни с большим содержанием асбеста, серы, натрия.
Размеры кирпича для кладки.
Зачастую наряду с камнями используется чугунина.
Кирпич.
Чтобы выложить печь своими руками, применяется красный полнотелый керамический кирпич.
У кирпича должна быть правильная геометрическая форма с прямыми углами, ровными гранями, не должно быть трещин, сколов и других видимых дефектов.
Хорошо обожженный кирпич в процессе простукивания молотком дает звонкий звук.
Запрещается применять недожженный кирпич, который в момент простукивания издает глухой звук.
Запрещается использование щелевого или силикатного кирпича, который имеет свойство разрушаться от высоких температур.
Список инструментов: кельма, молоток, отвес, уровень, болгарка, абразив.
Кладочный растворТакой раствор для любой печи оптимальнее было бы сделать из глины такого же месторождения, что и кирпич. В таком случае коэффициенты температурного расширения кирпичей и кладочных швов будут равными. А если равное тепловое расширение, тогда и долговечность кладки станет намного выше.
Кладка кирпичей обычно производится на цементный раствор.
Чем тоньше будет кладочный шов, тем лучше качество кладки и более прочнее и долговечнее печь. Потому толщина швов должна быть максимум 5 мм и тоньше.
Если шов тонкий, то понадобится глины приблизительно 10-12% от объемов кирпича.
Песок необходим чистый речной, но он не должен содержать речной ил.
Мелкозернистый (зерно приблизительно 1 мм). Допустим размер до 1,5 мм, но все же нежелательно.
Перед изготовлением раствора песок просеивают через сито, у которого ячейки 1,5 мм.
Качество глины.
Глину своими руками складывают в емкость, измельчают и постепенно заливают водой, притом тщательно перемешивают. Оставляют в залитом водой состоянии около суток. Уровень воды должен быть выше уровня глины.
На следующий день этот раствор процеживают сквозь сито. Если остались комки, то их растирают и протирают через сито.
Процесс повторяют, пока не наберется необходимое количество пастообразной глины. Потом в глину добавляют песок. Количество зависит от того, насколько жирная глина.
Тощий раствор выкрашивают из швов, он не обеспечивает достаточную связку кирпичам, прочность и плотность кладки в целом.
Очень жирный раствор во время высыхания усаживается и трескается и не дает необходимого качества кладки.
Уменьшается жирность глины добавлением песка.
Объем песка должен составлять от ½ до 3/2 от объемов глины.
Жирность глины и качество кладочного раствора
Таблица марки компонентов раствора для кирпичной кладки.
Есть 2 способа, которые наиболее объективны, поскольку в них присутствуют цифровые показатели.
Нужно взять примерно 0,5 л глины, добавить воду и месить руками, пока не получится консистенция крутого теста. Вода должна впитаться, а глина — не прилипать к рукам.
Способ 1.
Из глины своими руками скатывают шарик, диаметром около 5 см.
Шарик кладется на строганую деревянную дощечку.
Вторая дощечка ложится сверху, затем нужно аккуратно и медленно нажать на нее, пока на шарике из глины не появятся видимые трещины.
В том случае если шарик рассыплется до появления трещин, это означает, что глина тощая и раствор неправильный.
Появление трещин на 1/3 диаметра означает, что глиняный раствор нормальный.
Появление трещин на ½ диаметра означает, что глина чрезмерно жирная и нужно добавить песок в раствор.
Способ 2.
Из глиняного теста нужно скатывать своими руками 2 шарика диаметром около 5 см.
Из одного шарика раскатывается лепешка диаметром около 10 см.
Шарик и лепешка сушатся в тени около 2-3 дней.
Если шарик и лепешка покрылись трещинами, это означает, что глиняный раствор очень жирный.
Если трещины отсутствуют, а шарик, брошенный с высоты 1 м, на поверхность из дерева, не рассыпается, это означает, что раствор хороший.
Правила ведения кладки своими руками
Схема кладки кирпичной печи.
Нужно количество кладочного раствора взять кельмой и аккуратно разложить в месте кладки. Затем тщательно разровнять раствор.
Примеренный кирпич погрузить своими руками в корыто с водой и уложить на разровненный раствор.
Аккуратными постукиваниями рукояткой кельмы нужно осадить кирпич. Притом нужно следить за толщиной шва (не более 5 мм).
Выдавившийся с обеих сторон раствор подбирается кельмой.
Такая же порция раствора ложится на место нового кирпича.
Разравнивается раствор и намазывается на грань предыдущего кирпича. Такую вертикальную грань называют тычком.
Следующий примеренный и смоченный водой кирпич также намазывают тонким слоем раствора не более 3 мм.
Новый кирпич нужно сложить так, чтобы намазанные тычки друг к другу примыкали.
Постукиваниями рукояткой кельмы делается толщина шва не больше 5 мм. Выдавившийся раствор подбирается.
Следующие ряды кладки ведут так же, как первый.
У кладки обязательно должна иметься перевязка
Совпадение вертикальных швов кладки запрещено.
Вертикальный шов нужно перекрывать кирпичами следующего и предыдущего ряда.
Шов должен быть по центру вышестоящего кирпича.
Нельзя внутрь дымового канала класть стесанную либо же резаную сторону кирпича.
Схема кирпичной печи.
В таких местах обожженный кирпич нарушен и может разрушиться под действием кислого конденсата и горячих дымовых газов.
Половинки и четвертинки кирпичей необходимо очень аккуратно обтесать, чтобы на месте их посадки не было толстых швов.
Обтесанную кромку кирпича сложить вовнутрь кладки.
Топочная камера.
Вернуться к оглавлению
Топочную камеру в печь рекомендуется делать из шамотного огнеупорного кирпича
Перевязка укладки шамотного и обычного кирпича не разрешается в связи с разными коэффициентами температурного расширения. Потому из шамота устраивается футеровка топочной камеры. Притом шамотный кирпич нужно сложить на ребро. Между шамотным и обычным кирпичом должно быть не менее 5 мм.
Печные приборы.
Не стоит забывать, что чугун с кирпичом имеют разные коэффициенты температурного расширения. При нагреве чугун расширяется больше, чем кирпич. Поэтому колосниковые решетки, баки для воды и топочные дверки нужно установить с зазорами.
Колосниковая решетка.
Колосник сложить свободно без раствора с зазорами со всех сторон не меньше 5 мм. У решетки должна иметься возможность свободной замены в случае прогорания.
Прочистные, поддувальные и топочные дверки в печь.
Схема дымохода кирпичной печи.
В отверстия для крепежа на раме дверки своими руками вставляется мягкая вязальная проволока, скручивается проволока в жгут. На кирпич в области монтажа дверки укладывается раствор. Ставится дверка, проверяются уровни. Затем временно фиксируется дверка с помощью кирпичей, которые положены как раскосины. Потом концы проволоки закладываются в швы кладки.
Временно фиксируется дверка кирпичами. Вязальная проволока скручивается в жгут. Потом продолжается кладка вокруг дверок. Перекрывается дверка сверху либо 2 целыми кирпичами по 1/2 длины кирпича с каждой из сторон, либо целым кирпичом в «замок». Дверца топочной камеры дополнительно должна быть обернута асбестовым полотном.
Дымоход.
Температура выходящих дымовых газов составляет 750 градусов.
Рабочая температура дымоходов из нержавейки составляет 450 градусов. Однако дымоходы из металла допускают временное повышение до 900 градусов, но приблизительно на 15-30 минут.
Связующее вещество многих утеплителей из базальта внутри сэндвич-трубы начинает разрушаться при температуре больше 400 градусов.
Сушка печи для баниНовую печь запрещается сразу интенсивно топить: она может треснуть.
После окончания кладочных и трубных работ печь нужно просушить.
Несколько суток ее нужно подержать с открытыми дверцами и заслонками.
Еще в помещении бани нужно открыть окна и двери, чтобы обеспечить интенсивный сквозняк.
Через 3-4 дня новую печь для сауны можно немного протопить мелкими щепками 12-15 минут.
Таких кратковременных топок можно сделать 2-3 в течение дня.
Если на поверхности заслонки не будет выпадать влага-конденсат, это значит, что печь в баню просушена успешно.
1poteply.ru
Линейное тепловое удлинение материалов
Расчет температурного линейного расширения
Так же, как и здание после строительства может дать «усадку», некоторые материалы, напротив, со временем увеличиваются или удлиняются. Это явление в физике называется тепловым расширением, потому что возникает оно по мере того, как на твердое тело воздействует высокая температура. Оно становится причиной увеличения площади, поэтому фактор расширения необходимо принимать во внимание при строительстве автомагистралей и зданий.
К примеру, при возведении дома с железобетонными элементами в климатических условиях, близким к тропическим или южным, строители могут не учесть вероятность линейного расширения. Впоследствии увеличенные металлические конструкции могут привести к повреждению других механизмов и преждевременному разрушению всей конструкции.
Подобный пример можно привести и при строительстве железнодорожных рельс. Нагреваясь под прямыми лучами солнечного света, молекулы металла расширяются и удлиняются. В холодное время года рельсы напротив, укорачиваются. Хотя это сложно заметить невооруженным взглядом, с целью безопасности нужно учитывать это при строительстве с применением не только металла, но и камня, даже пластика.
Как определить температурное линейное расширение
Чтобы избежать негативных последствий расширения материалов, используются специальные термометры. Они чувствительны к малейшим изменениям температуры. Но лучше предусмотреть возможные изменения и перестраховаться еще на стадии планирования производства. Для этого разработан онлайн-калькулятор, который моментально демонстрирует:
коэффициент линейного теплового расширения;

удлинение по осям Х, Y и Z;

величину, на которую удлиняется материал при заданной температуре.

Все, что нужно сделать для этого – выбрать из выпадающего списка нужный материал, выбрать его параметры: толщину, дину и ширину. Если нужно конкретно узнать его состояние при той или иной температуре, можете выбрать и эту функцию на сайте. Отметим, расчеты проводятся относительно начальной температуры материала 0°C. Ответы выдаются на анализе коэффициентов линейного теплового расширения, и расчетам, которые уже проведены и запрограммированы на сайте. Система реагирует на изменения и самостоятельно выполняет подсчет.
Какие материалы чаще всего подвергаются расширению
Прежде всего, это – металлы: алюминий, купрум, медь. Среди камней можно отметить гранит базальт, кварцит и даже кирпич. Аналогично на высокие температуры реагируют дерево, сложные штукатурки и стекло. Из вышеперечисленных материалов наименьший коэффициент теплового расширения имеют:
клинкерный и стеновой кирпич;

дерево;

штукатурка;

базальт;

стеновой кирпич.

Для сравнения, наибольший показатель – у алюминия, стали и меди. К примеру, КТЛР алюминия составляет 24•10-6 1/град, что в 2 раза больше, чем у стали. Поэтому монтаж трубопровода невозможен без предварительных расчетов, особенно если планируется использовать алюминиевые трубы для горячего водоснабжения или отопления. Изменение длины трубопровода при перепадах температуры определяется по формуле
dL = a • l • (tmax – tc), мм, где:
а – КТЛР материала, из которого изготовлена труба или другое изделие;

tmax – наибольшая температура, которой достигает теплоноситель;

tс — температура окружающей среды на момент установки конструкции;

l — длина трубопровода.

Также есть специально составленные таблицы значений среднего температурного коэффициента линейного расширения различных материалов. Но прибегать к ним и сложным расчетам не обязательно, если под рукой есть интернет и безошибочное решение можно получить с помощью калькулятора за считанные минуты.
webcala.net
kamin.studio — Tолщина швов печной кладки
06.04.2015 Автор статьи Виталий Кострюков.
Важным фактором надежности кладки является раствор, который используется для строительства печей. Ни для кого не секрет, что правильный подбор соотношения глины и песка будет существенно влиять на срок службы отопительной конструкции, а так же на надежность и качество ее работы. Опытный печник «на глаз» определяет какого составляющего много, а какого не хватает в готовом растворе. Если много вяжущего материала (глины), то при высыхании швы покрываются трещинами, что в процессе эксплуатации может вызвать засасывание воздуха в различные части печи, значительное снижение тяги и температуры дымовых газов.
Если в растворе мало глины, то раствор будет «сыпаться» и в процессе эксплуатации быстро выкрошится….
Для точного определения правильного подбора соотношения глины и песка существует множество способов, которые подробно описаны практически во всех книгах по печному делу. Поэтому уделять этому внимание мы не будем. Лучше поговорим о качестве самого раствора и толщине швов.
У каждого мастера (или почти у каждого) есть свои отработанные методики приготовления глиняно-песчаного раствора. Многие мастера вообще не заморачиваются подготовкой глины, просеиванием песка и отмериванием пропорций. Просто покупают готовую смесь и добавляют ее в воду. А для некоторых это целое священнодействие. Сначала отыскивается подходящее место для копки глины, затем длительное замачивание в бочке, где глина «хряснет» (напитывается водой), затем смешивание с просеянным карьерным песком. Написано коротко, а работы много. Но оно того стоит. Опытные печники точно знают, что приготовленный в ручную раствор на поверку оказывается лучше того, что продается в готовом виде.
Толщина швов печной кладки. Вы уверены, что чем тоньше шов, тем лучше? Многие печники уверены. И стараются сделать его как можно тоньше. Но давайте разберемся в этом поподробнее. Физические явления: тепловое расширение, давление и деформация никто не отменял. А в каждой печи эти явления происходят всегда, когда она находится в эксплуатации. Тонкий шов хорош лишь тем, что он имеет лишь небольшую степень выкрашивания. Он все равно будет выкрашиваться, т.к. кирпич при нагреве изменяет размер и непосредственно давит как на вертикальные, так и на горизонтальные швы. Вопрос времени. Толстый шов (давайте определим его в 10мм.) так же будет выкрашиваться, но в большей степени. Не волнуйтесь полностью горизонтальные швы не выкрашиваются никогда. Они ссыпаются (особенно внутренние швы) на глубину от 5 до 15 мм. И все…. Вы разбирали старые печи, построенные из старого кирпича? Тогда вы должны это помнить. Какие там швы? Да уж, не 3-4 мм., а все 10-15 мм.. Это обусловлено ровностью кирпича. Он был далеко не ровный и его геометрия далека от эталона. А теперь вопрос? Как вам расчистка швов кладки для осуществления ремонта старой печи? То-то и оно. Швы легко вычищаются и кирпичи вынимаются из кладки без проблем. А теперь представьте как вы будете это делать с кладкой как на фотографии со спичкой…. Без отбойного молотка точно не обойдетесь. И растревожите всю кладки печи. Вибрация сделает свое пагубное дело. Получается, что печи с «толстыми» швами более ремонтнопригодны, чем с тонкими.
Тепловое расширение кирпича. При нагреве керамический кирпич имеет свойство расширяться. Впрочем как и подавляющее большинство материалов. В общем массиве печи расширение будет весьма ощутимо. И вот тут снова возникает вопрос? У какого материала (кирпич и глиняно-песчаный шов) плотность выше? Конечно у кирпича, ответите вы. И будете, безусловно, правы. У глиняно-песчаного шва плотность значительно меньше, тепловое расширение тоже. Толстый вертикальный шов (повторюсь 10 мм.) будет служить демпфером между увеличившимися в размере керамическими кирпичами. И соответственно кладка с толстыми кирпичами более стойкая к разрушению. Компенсаторная работа тонкого шва практически равна нулю. И кирпичи в процессе нагрева будут давить друг на друга, нарушая целостность кладки. И чем выше марка кирпича, тем выше расширение керамики. Настоятельно не рекомендую строить печи из кирпича марки 300-500 без шамотного ядра, или футеровки (защиты) наружной кладки. Прямое воздействие высоких температур дымовых газов на полнотелые кирпичи LODE (лодэ) марки М:500 однозначно вызовут растрескивание швов кладки.
Для керамических кирпичей я не встречал замеры линейной усадки. Для промышленного шамотного кирпича ША-8 такие замеры проводились. Линейная усадка шамотного кирпича составляет 1% на длину тела при температуре 1350 градусов по Цельсию. Соответственно при температуре в 700 град. шамотный кирпич расширится на 1,2 мм.. Даже если каждый керамический кирпич расширится на 0,6 мм. то кладка в 5 кирпичей удлинится на 3 мм.. А это, поверьте, очень много. Отсюда и микротрещины в швах кладки и необходимость периодического косметического ремонта. А как иначе? Это физика….
Следующий момент…. Толстые швы печной кладки имеют не только меньшую плотность, но и определенную пористость. Эта пористость (неплотность) может служить воздухозабором во внутренние части печи, что незначительно, но снижает температуру газов в системе дымоходов. Подсос воздуха может осуществляться и через неплотности дверок чисток и задвижек. Проверить печь на наличие неплотностей в швах кладки можно следующим образом: Растопите печь и через 15-20 минут полностью закройте задвижку. Через неплотности швов кладки (из-за повышенного давления в дымоходах) будут выходить тоненькие струйки дыма. Отметьте эти точки на кладке. А в последствии расширьте и плотно заполните свежим раствором эти «слабые» места.
Подведем итоги: эта заметка не является догмой, оспариванием чьих-то наблюдений, или руководство к действию. Просто мысли в слух. А там сами решайте какие доводы для вас важнее. Мифическая крепость кладки с тонкими швами, или нормальная и долгая работа печи с толстыми швами.
тонкие швы не являются показателем качества печной кладки

тонкие швы затрудняют ремонт печи как текущий, так и капитальный

не работают в качестве декомпрессионных прокладок

красиво смотрятся только на безупречно ровном кирпиче

Относительно толстые 7-10 мм. швы печной кладки, на мой взгляд, гораздо предпочтительнее. Даже имея определенные недостатки, такие как подсос воздуха, они определенно выигрывают в практичности их применения. Печи, построенные с использованием правильно приготовленного раствора, и с «нормальными» швами прослужат вам верой и правдой долгие годы. Удачи!

kamin.studio
ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ, ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ, ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ, ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

(приблизительно от 1800 до 1815 г.)
ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ ГАЗОВ

Наблюдение, что изменения температуры тел постоянно сопровождаются изменениями их объемов, относятся уже к отдаленной древности, тем не менее, определение абсолютной величины отношения этих изменений принадлежит только новейшему времени. До изобретения термометров о подобных определениях, разумеется, нельзя было и думать, но зато с развитием термометрии точное исследование этой связи становилось совершенно необходимым. Сверх того, в конце прошлого XVIII и в начале нынешнего XIX века накопилось множество различных явлений, побуждавших заняться тщательными измерениями расширения тел от теплоты; таковы были: необходимость поправок барометрических показаний при определении высот, определение астрономической рефракции, вопрос об упругости газов и паров, постепенно возраставшее применение металлов для научных приборов и технических целей и т. д.

Прежде всего, естественно, обратилась к определению расширения воздуха, которое по своей величине больше всего бросалось в глаза и представлялось наиболее легко измеримым. Множество физиков вскоре получило большое количество результатов, но частично довольно разноречивых. Амонтон для регулирования своего нормального термометра измерил расширение воздуха при нагревании его от 0° до 80° R и сравнительно точно определил его в 0,380 части его объема при 0°. С другой стороны, Нюге в 1705 г. получил при посредстве несколько видоизмененного прибора один раз число, вдвое большее, а другой раз — число, даже в 16 раз большее. Ла-Гир (1708) тоже получил вместо амонтоновского числа 1,5 и даже 3,5. Гоуксби (1709) нашел число 0,455; Крюкиус (1720) — 0,411; Полени — 0,333; Бонн — 0,462; Мушенбрек — 0,500; Ламбер («Pyrométrie», стр. 47)—0,375; Делюк — 0,372; И. Т. Мейер — 0,3755 и 0,3656; Соссюр — 0,339; Вандермонд, Бертолле и Монж получили (1786) — 0,4328. Пристли, получивший для расширения воздуха значительно отклоняющееся от истинного число 0,9375, утверждал, сверх того, что кислород, азот, водород, угольная кислота, пары азотной, соляной, сернистой, плавиковой кислот и аммиака — все они отличаются по своему расширению от воздуха. Г. Г. Шмидт («Green’s Neues Journ.», IV, стр. 379) получил для расширения воздуха число 0,3574, для кислорода 0,3213, наконец, для водорода, угольной кислоты и азота 0,4400, 0,4352, 0,4787. Морво и Дювернуа примкнули к мнению Пристли, но вообще нашли, что расширение газов не вполне пропорционально изменению температуры.

РАБОТЫ ДАЛЬТОНА ПО РАСШИРЕНИЮ ГАЗОВ

Джон Дальтон (1766-1844)

Решающий приговор над этими разноречивыми результатами и мнениями, ясное и всеми признанное представление о расширении газов от теплоты внесли в науку только работы Гей-Люссака и Дальтона, которые, одновременно и вполне независимо друг от друга, пришли к совершенно согласным результатам. Гей-Люссак, разыскивая причину расхождения множества полученных им коэффициентов расширения, обратил внимание, прежде всего на присутствие в измерительных приборах воды, которая при нагревании превращается в пар и неопределенным, неподдающимся учету образом увеличивает объем заключенных в сосуде газов. Поэтому он обратил самое тщательное внимание на полное и совершенное высушивание сосудов, предназначенных для опыта, и на освобождение исследуемых газов от всякой влажности. После этих предосторожностей уже первая серия опытов дала ему очень согласные результаты. Шесть опытов с атмосферным воздухом показали расширение его, в промежутке между 0° и 100° С, на 0,3740, 0,3760, 0,3744, 0,3755, 0,3748, 0,3757. Следовательно, в среднем итоге получилось 0,3750, т. е. число, которое разнится от каждого в отдельности не более как на 0,001. Соответствующие опыты для водорода дали: 0,3749 и 0,3756; для кислорода: 0,3747, 0,3754 и 0,3745; для азота: 0,3742, 0,3756, 0,3750, 0,3746 и 0,3755 1. Результат своих опытов Гей-Люссак выразил в следующих словах: «Описанные выше опыты, которые были произведены мною с величайшей тщательностью, ясно показывают, что атмосферный воздух, кислород, водород, азот, пары азотной кислоты, аммиака, соляной, серной и угольной кислот при одинаковом повышении температуры расширяются тоже равномерно; что, следовательно, величина расширения не зависит от различных физических свойств или особой природы этих тел и что все газы вообще, насколько я могу заключить, расширяются от теплоты в одинаковой степени».

Гей-Люссак Жозеф Луи (1778-1850)

Дальтон, который стал заниматься тем же вопросом немного раньше Гей-Люссака, опубликовал часть своих результатов уже в 1801 г. Он изучал расширение, испытываемое воздухом, высушенным посредством серной кислоты, при нагревании его в градуированных трубках, и нашел, что при повышении температуры на 157° F расширение составляет 0,321 первоначального объема, а когда он ввел в расчет коэффициент расширения газа 0,004, то получил число 0,325. Если принять расширение воздуха равномерным, то для расширения воздуха между обеими постоянными точками термометра получается 0,373. Позднее, после ряда повторных опытов, Дальтон дал в качестве общего результата своих измерений число 0,376 и притом не только для одного воздуха, но и для всех газов вообще и даже для всех паров. На этом основании коэффициентом расширения газов и было окончательно признано число 0,375; а закон, утверждавший общность этого коэффициента для всех газообразных тел, по всей справедливости получил название дальтоно-гей-люссаковского. Но Дальтон сам представлял себе этот закон в несколько ином виде, чем Гей-Люссак, и не совсем так, как этот закон был окончательно принят. Он сходился с Гей-Люссаком в том, что все газы расширяются одинаково; но он считал это расширение неравномерным и даже утверждал, что расширение всякого постоянного газа увеличивается в геометрической прогрессии, в то время как температура повышается в арифметической. Однако и формулировка Гей-Люссака должна была еще подвергнуться некоторому ограничению. Оба исследователя считали свой закон справедливым для всех вообще газообразных веществ, т. е. как для постоянных газов, так и для газов, поддающихся сжижению. Между тем позднейшие опыты показали, что последнего рода газы, когда температура их понижается настолько, что они приближаются к жидкому состоянию, более или менее отклоняются от общего закона в изменениях своих объемов, и что, следовательно, для этого рода газов рассматриваемый закон сохраняет всю свою силу лишь при температурах, далеких от точки их перехода в жидкое состояние.

Эти сжимаемые в жидкость газы или пары вообще представляли явления крайне сложные. Ясно, что закон Дальтона-Гей-Люссака может быть приблизительно верен для сжижаемых газов лишь в том случае, когда они ограждены от всякого количественного прироста. Если же они находятся в соприкосновении с жидкостью, из которой они выделяются, то, разумеется, не может быть и речи об объеме определенного количества паров при определенной температуре, так как количество их должно постоянно увеличиваться с повышением температуры. Пары, находящиеся в соприкосновении с жидкостью, остаются насыщенными при любой температуре, и увеличение объема и упругости подобных насыщенных паров должно следовать совсем иному закону, чем закон Дальтона-Гей-Люссака. С другой стороны, определение давления этих насыщенных паров при различных температурах имеет огромное значение для применения пара к механической работе, а также для метеорологических целей, и потому разрешение этого вопроса занимало физиков не меньше, чем определение коэффициента расширения газов.

ИССЛЕДОВАНИЕ УПРУГОСТИ ВОДЯНЫХ ПАРОВ

Первое более подробное исследование упругости водяных паров было произведено Циглером из Винтертура в 1769 г. Однако различные серии его опытов по своим результатам еще плохо согласовались между собою. К более правильным результатам пришел Джемс Уатт в 1764 и 1765 гг., а затем позднее в 1773 и 1774 гг. Для более высоких температур он, подобно Циглеру, применял папинов котел, а для низких температур — барометр, верхнюю часть которого он окружал согревательным прибором, а в пустоту вводил немного воды.

Бетанкур приделал в 1792 г. к папинову котлу открытый манометр того самого образца, который применяется до настоящего времени. Его многочисленные опыты, прежде всего, интересны тем, что на основании их Прони (Nouvelle arhitecture hydraulique, Paris 1790 и 1796) пытался вывести первую общую формулу для вычисления силы упругости пара по заданной температуре — формулу, которая, однако, отличалась скорее своею сложностью, чем точностью. Немного позднее Шмидтом в Гиссене, Бикером и Руппом в Роттердаме были произведены тщательные опыты для определения упругости водяного пара. Но общее признание и притом на продолжительный отрезок времени получили только опыты Дальтона. Последний вводил в торичеллиеву пустоту чашечного барометра столбик жидкости, пары которой он желал исследовать, высотой в 2—3 линии; на конец барометрической трубки он для нагревания этой жидкости надевал более широкую стеклянную трубку, которая снизу совершенно закрывалась пробкой, а сверху закрывалась наполовину, для того чтобы можно было в нее свободно наливать воду различной температуры.

Для проверки этих опытов Дальтон кипятил те же жидкости под колоколом воздушного насоса при различных степенях разрежения воздуха. Для измерения силы упругости, превышавшей давление 1 ат, он применял сифонный барометр, в короткое запаянное колено которого он наливал исследуемую жидкость, а длинное оставлял открытым. Мунке (Gehler’s physik. Wörterbuch, 2. Aufl., II, стр. 328) выражается очень пренебрежительно о приборах Дальтона: «Нецелесообразность этого прибора бросается тотчас же в глаза и наводит на мысль, не получена ли большая часть дальтоновских результатов… при помощи (одного) воздушного насоса». Другие исследователи тоже отмечали, что в дальтоновских приборах температура нагревающей воды была неравномерна и не могла быть точно определена. При всем том его результаты оказались очень надежными и таблица упругости водяных паров, которую Био привел в своем «Учебнике экспериментальной физики» (1, стр. 259), целиком основана на опытах Дальтона.

ИССЛЕДОВАНИЕ УПРУГОСТИ ПАРОВ

Меньше успеха имела попытка Дальтона подвести под один общий закон силу упругости паров различных жидкостей. По его мнению, он своими опытами доказал, по крайней мере для серного эфира, спирта, жидкого аммиака, жидкого хлористого кальция, сернистой кислоты и ртути, что для одинаковых температур ниже или выше точки кипения данных жидкостей, все пары этих жидкостей обладают равной упругостью, и был склонен распространить это правило на все жидкости вообще. Этот мнимый закон был встречен с недоверием современниками, а впоследствии Депре, Уре и другие доказали, что хотя он приблизительно верен для некоторых паров, но как общий закон он определенно неверен.

ДИФФУЗИЯ ГАЗОВ. ТЕОРИЯ ИСПАРЕНИЯ

Теория Дальтона относительно смеси газов и паров тоже вызвала возражения, но выдержала испытание лучше предыдущей. Дальтон устарастворения. Если насыщаемость известного пространства для пара какой-либо жидкости независима от присутствия и свойства другого находящегося в том же пространстве газа, то последний, очевидно, не может быть причиной испарения жидкости, и, следовательно, абсолютно невозможно, чтобы жидкость испарялась только вследствие растворения ее атмосферным воздухом, с которым она приходит в соприкосновение. Напротив, отталкивательная сила теплоты повсюду стремится удалять друг от друга частицы жидкости и превращать ее в пар. Последнее не всегда возможно во внутренних частях жидкостей, так как атмосферное давление, воздействующее на верхние слои, задерживает образование паров, по крайней мере, до тех пор, пока постепенно нарастающая при нагревании упругость их не пересилит давления воздуха, после чего уже и начинается кипение. На поверхности же жидкости, где частицы только окружены атмосферой, теплота способна оказывать свое действие при всякой температуре, так как пространство, заполненное газом, ведет себя по отношению к поступлению в него паров, как пустое пространство. Вот почему с поверхности жидкости все время равномерно распространяются в пространство пары, которые поднимаются вверх против силы тяжести, атмосферное же давление никогда не может воспрепятствовать ни испарению, ни повсеместному распространению паров в пространстве, а способно только более или менее замедлить его. Давнишний спорный вопрос заключается теперь уже не в том, каким образом вода поднимается в облака, а в том, каким образом вновь сгустившаяся из паров вода может держаться в облаках. Для ответа на этот вопрос большинство прибегало еще к старой теории пузырьков.

ОТНОШЕНИЕ ФИЗИКОВ К ТРУДАМ ДАЛЬТОНА

Для ответа на этот вопрос большинство прибегало еще к старой теории пузырьков. Лишь немногие физики отрицали вообще возможность парения облаков и считали облака скоплением водяных капелек, постоянно опускающихся в атмосфере: но так как сопротивление воздуха по отношению к ничтожным размерам капелек очень велико, то падение капелек воды происходит так медленно, что малейший ток воздуха превращает это падение в подъем. Впечатление, произведенное теорией испарения Дальтона на современных ему физиков, очень характерно описано Эрманом («Gilbert’s Ann.», XL, стр. 392, 1812). «После того, как было фактически доказано, что упругость водяного пара и его количество в пустом пространстве совершенно те же, что и под атмосферным давлением, многим физикам не стоило особенных усилий отказаться от системы растворения … Таким образом значительное большинство, обыкновенно не отличающееся строгой выдержкой, сразу оставило гипотезу растворения, не дав себе ясного отчета в том, что предполагает и что заключает в себе теория, сводящая все явления просто к одной температуре. Дальтон спокойно сделал выводы из этой теории и продолжал с мужественной выдержкой прокладывать себе дорогу между всеми устрашающими последствиями настоящего противорастворного учения. И тогда обе партии были поражены почти в одинаковой степени». Такие физики, как Траллес, Бертолле, Муррей, Томсон и многие другие, решительно отказались признать правильность дальтоновского воззрения на состав нашей атмосферы. Дальтону приходилось бороться с множеством возражений, имевших прочные точки опоры в господствовавшей тогда теории теплоты; и хотя он защищался с большим искусством, а иногда с излишним увлечением, тем не менее, недоверие к его теории окончательно исчезло только позднее с приближением к новейшему учению о теплоте.

Вообще научные труды Дальтона имели странную участь: их и восторженно превозносили и беспощадно порицали. Выше было уже отмечено, с каким высокомерием Мунке, обыкновенно столь объективный, отозвался о дальтоновских приборах. Приведем еще один из его суровых отзывов: «Нелегко указать на исследования, которые обратили бы на себя столько внимания и были бы настолько оценены выше всяких заслуг, чем опыты, произведенные Джоном Дальтоном для открытия общего закона упругости паров». Фехнер замечает: «Дальтоновская гипотеза, согласно которой разнородные газы, составляющие атмосферный воздух, не производят друг на друга никакого давления, имеет пока успех у весьма немногих физиков, между которыми особенно выделяется Бенценберг по тому усердию, с каким он в течение целых 20 лет защищает эту теорию». Дове высказывает следующее суждение: «Дальтоновское положение о связи упругости паров всех жидкостей, к сожалению, не подтвердилось; тем не менее, этот вывод дает такое значительное приближение наблюдаемых величин к вычисленным, что за недостатком лучшего им можно пользоваться». С другой стороны, Био во всех относящихся к этому вопросу отделах своего «Учебника экспериментальной физики» (1, стр. 251—281) принимает за основание опыты Дальтона, расценивая их очень высоко. Причины такого различия взглядов лежат отчасти в самом характере дальтоновских работ. «Подобно тому, как Дальтону рано пришлось самому прокладывать себе дорогу в жизни, так и в науке он вскоре отыскал самостоятельные пути. Как у всех самоучек, в нем было меньше развито желание знать то, что сделали другие, чем твердая уверенность в правильности найденного им самим… Острый ум побуждал его при проведении своих исследований, для которых в плодотворнейшую пору своей жизни он мог располагать лишь самыми скудными средствами, стремиться больше к возможному упрощению приборов и самих опытов, чем к достижению особенно тонких результатов; точность его количественных определений значительно уступает той, которая уже ранее была выработана его современниками. Но он и не особенно задумывался над степенью согласия эмпирических наблюдений с выводами из теоретических построений, если последние принадлежали ему самому, чтобы признать их действительными». Это замечание Коппа, относящееся к химическим работам Дальтона и прилагаемое также к его физическим исследованиям, все-таки не вполне объясняет суровость суждений, высказанных по поводу работ Дальтона. Некоторая доля вины лежит, очевидно, и на тех лицах, которые их высказывали. Физики постепенно приучились смотреть на опыт, как на довлеющую себе цель, и считать точность опыта высшим критерием ценности научной работы. К этому присоединилась еще несколько чрезмерная осторожность — боязнь подвергнуть науку опасности попятных шагов и склонность изгонять из своей области всякое быстрое движение вперед, всякую смелую гипотезу. Конечно, с этой точки зрения Дальтон с множеством допущенных им в своих опытных данных неточностей, а равно со своим зачастую слишком поспешным построением законов природы, должен был подвергнуться строгому осуждению. Однако позднее оказалось, что руководящие мысли Дальтона были светлы и плодотворны, что в соединении с более совершенной техникой опытов им суждено было двинуть науку вперед по настоящему пути. И в наши дни только историк науки останавливается на теневых сторонах, которые совершенно естественно и неизбежно должны иметь место и в трудах Дальтона.

РАСШИРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

Дюлонг Пьер Луи (1785-1838)

Для исследования расширения капельных жидкостей Делюк, а в несколько измененной форме и Гей-Люссак употребляли открытые термометры, Г. Г. Шмидт — ареометры с грузом, Дюлонг и Пти — сообщающиеся трубки, одно колено которых они держали при нормальной температуре, а другое нагревали до желаемой температуры. Все эти опыты показали, что предположение Дальтона, будто расширение всех однородных жидкостей пропорционально квадрату температур, не соответствует действительности. Расширение, правда, увеличивается с температурой, но это возрастание иное и, по всей вероятности, оно следует различным законам для отдельных жидкостей. Особенное затруднение вызывали аномалии, встречающиеся при изучении расширения жидкостей. По отношению к воде уже давно было замечено, что, начиная с известной температуры, дальнейшее понижение последней дает расширение объема вместо сокращения последнего; но до некоторого времени эту аномалию были склонны признать мнимой, предполагая, что она вызывается не особенностями воды, а является результатом сжатия сосуда, содержащего воду. Делюк, по-видимому, первый стал относить причину этого явления к самой воде и определил точку наибольшей плотности ее. Последняя у него определилась несколько выше действительной вследствие того, что им не было принято в расчет сжатие сосуда, а именно Делюк получил 5° С; в силу той же причины он нашел, что и для одинаковых разностей температур выше и ниже этой точки объемы, жидкостей одинаковы. Дальтон, который тоже упустил из виду расширение сосуда, определил температуру наибольшей плотности еще выше Делюка, а именно 5,83° С. Румфорд пытался разрешить этот вопрос, охлаждая воду в открытом сосуде с поверхности и наблюдая температуру, при которой вода переставала опускаться. Хотя этот способ и теперь еще считается хорошим в принципе, Румфорд мог определить только пределы для температуры наибольшей плотности, которые оказались между 4 и 5° С.

РАСШИРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Точные измерения расширения твердых тел были предприняты, в связи с интересными наблюдениями Рише в Кайенне и спорами, которые они возбуждали 4. Однако несовершенство тогдашних термометров было достаточной причиной для того, чтобы тщательные исследования Далансе, Пикара, Ла-Гира, Дергама и др. не могли привести к согласным результатам. Даже известный пирометр Мушенбрека дал сомнительные результаты, так как исследуемый брусок не был надлежащим образом укреплен и действие нагревания распространялось не только на брусок, но и на измерительный прибор. Смитон (Smeaton, Philosophical Transactions, XLVIII, 1754) получил уже несколько более точные числа. Но действительно ценные и пригодные для практики результаты были получены впервые Лавуазье и Лапласом. Они избрали в качестве постоянных, находящихся вне влияния тепла точек каменные столбы, а для измерения расширения применили зрительную трубу, которая вращалась три удлинении нагреваемого металлического стержня. Однако их опыты остались сначала незамеченными и стали впервые общеизвестными благодаря Био.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ЖИДКОСТЕЙ. БОРЬБА ВОКРУГ ТЕОРИЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Определение расширения тел во многих отношениях теоретически и практически зависит от их теплопроводности. Поэтому естественно, что исследование шло рука об руку с описанными выше работами.

Рихман брал (в 1750—1751 гг.) шары из различных металлов, но одинаковой величины, и наблюдал время одинакового их охлаждения; при этом он установил такого рода последовательность: свинец, олово, железо, медь, латунь, и отсюда пришел к выводу, что свинец всего быстрее воспринимает теплоту и отдает ее и т. д. Во всяком случае полученный им ряд доказал, что, вопреки существовавшему раньше мнению, теплопроводность тел во всяком случае непропорциональна их плотности. Франклин и немного позже Ахард были склонны думать, что теплопроводность тел равна их электропроводности. Для разрешения этого вопроса, Ингенгоус, по предложению Франклина, покрыл проволоки из различных металлов слоем воска, опустил концы их в сосуд с горячим маслом и наблюдал скорость распространения тепла, необходимого для плавления воска на различных проволоках. Согласно его опытам порядок распределения металлов по «их теплопроводности оказался почти противоположным рихмановскому, а именно: серебро, медь, золото, железо, сталь, свинец. Разногласие объясняется тем, что Ингенгоус приписал более высокую теплопроводимость тому металлу, у которого плавление воска происходило всего выше, т. е. по которому тепло проникало всего дальше; И. Т. Мейер, напротив, был склонен приписать большую проводимость тому металлу, который всегда быстрее отдавал тепло наружу и на котором, следовательно, воск плавился всего медленнее; при таком истолковании опыты Ингенгоуса и Рихмана должны были привести к одинаковым выводам. Как мы увидим ниже, Фурье доказал, что оба противника были в равной мере и правы и неправы.

Совершенно иначе кончился спор о проводимости тепла жидкостями, возникший после работ графа Румфорда. Бюффон утверждал (как и многие до него), что жидкости проводят тепло лучше, чем твердые тела; Румфорд же доказал совершенно обратное. Уже в 1786 и 1792 гг. он напечатал в Philosophical Transactions статьи о теплопроводности различных веществ; в 1797 г. появились вызвавшие наибольший интерес исследования его относительно жидкостей 6. Поводом для этих исследований послужило наблюдение, что густая пища остывает очень медленно и что в воде, нагревавшейся снизу в широкой трубе, на одной стороне постоянно поднимались токи, которые на другой стороне опускались вниз. Сопоставляя оба эти явления, Румфорд предположил, что частицы жидкостей способны воспринимать тепло от других тел и отдавать его другим, но что между частицами самой жидкости передачи тепла не происходит; другими словами, что жидкости никогда не нагреваются путем внутренней проводимости, а только внутренними токами, и что, следовательно, жидкости являются абсолютными непроводниками тепла. Для того чтобы это убедительнее доказать, он положил в цилиндрический стеклянный сосуд ледяной кружок, имевший острие, и налил сверху оливковое масло; после этого ввел туда железный цилиндр, нагретый в кипятке; он приближал его на расстояние 0,2 дюйма к острию и при этом не замечал признаков таяния или какого бы то ни было изменения в ледяном острие, — если только он опускал цилиндр в «масло настолько осторожно, чтоб не вызвать в нем токов.

Несмотря на всю убедительность этого опыта, выводы Румфорда вызвали сильную бурю между тогдашними физиками. Делюк выступил с теоретическими возражениями, исходя из своей теории теплоты; Никольсон пытался опровергнуть самые опыты Румфорда рядом других опытов; Соке доказал, что, по крайней мере, сквозь ртуть получается таяние льда от поставленного поблизости горячего цилиндра; Муррей утверждал, что при опускании термометра в масло он все-таки наблюдал некоторое повышение температуры. Между тем Дальтон уже в 1799 г. пришел к заключению, что хотя у воды и нельзя вполне отрицать наличия теплопроводности, но что последняя во всяком случае ничтожно мала сравнительно с теплопроводностью твердых тел. На этот компромисс вскоре пошло большинство физиков, и Фишер в своей «Истории физики» (VII, стр. 362, 1806) выражается по этому поводу очень определенно: «Граф Румфорд, по-видимому, доказал, что упругие и неупругие жидкие вещества являются плохими проводниками тепла, но во всяком случае не являются совершенными непроводниками».

Используются технологии uCoz

Калькулятор теплового расширения
Идея этого калькулятора теплового расширения проста: при нагревании материала он расширяется. Если его остудить, он сядет. Хотя сколько? Ну, это зависит от свойства материала, называемого «коэффициент теплового расширения». В этой статье мы объясним эту концепцию более подробно. Если вы хотите узнать уравнение теплового расширения, просто продолжайте читать!
Что такое тепловое расширение?
Начнем с общего представления о тепловом расширении: почему оно вообще имеет место? Каждый материал состоит из молекул, более или менее плотно сгруппированных вместе.Когда мы повышаем температуру материала, на самом деле мы поставляем энергию (если вы не верите, попробуйте калькулятор удельной теплоемкости). Очевидно, энергия не может исчезнуть; он просто превращает свою форму в кинетическую энергию. Поскольку молекулы обладают более высокой кинетической энергией, они начинают больше двигаться. Вы можете представить, что чем больше они двигаются, тем дальше друг от друга им нужно держаться. По мере увеличения расстояния между молекулами материал расширяется.
Линейное и объемное расширение
Линейное расширение — одномерное .Обычно мы наблюдаем это во всех объектах, длина которых намного превышает ширину. Железнодорожные пути — хороший тому пример. Вы заметили, что дорожки не непрерывны, а состоят из сотен частей, разделенных небольшими промежутками (так называемые контрольные стыки)? Это из-за теплового расширения. Во время экстремального лета (40 ° C) трек может быть на 0,048% длиннее, чем на 0 ° C. Может показаться немного, но если длина трассы 1 км, разница в длине достигает 48 см! Конечно, это не значит, что железнодорожные пути расширяются только в одном направлении; мы пренебрегаем увеличением высоты и ширины, так как они в разы меньше.
Объемное расширение, с другой стороны, трехмерное . Если материал изотропен (имеет одинаковые свойства во всех направлениях), он расширяется равномерно. Возьмем реальный пример — открываем закрытую стеклянную банку с металлической крышкой. Возможно, вам будет трудно, но после того, как налейте на крышку немного горячей воды, она легче поддается. Это происходит потому, что крышка расширяется намного быстрее, чем стекло.
Существует также третий тип теплового расширения: двумерное расширение площади.Вы можете привести пример этого явления?
Уравнение теплового расширения
Наш калькулятор теплового расширения использует простую формулу для определения теплового расширения любого объекта. Уравнения линейного и объемного расширения очень похожи.
Линейное расширение: ΔL = aL₁ (T₂ - T₁)
Объемное расширение: ΔV = bV₁ (T₂ - T₁)
где:
T₁ — начальная температура, а T₂ — конечная температура;
ΔL — изменение длины объекта;
L₁ — начальная длина;
a — коэффициент линейного расширения;
ΔV — изменение объема объекта;
V₁ — начальный объем; и
b — коэффициент объемного расширения.
Воспользуйтесь калькулятором теплового расширения, чтобы найти изменение длины или объема — просто введите другие значения и наблюдайте, как он выполняет всю работу за вас!
Коэффициент линейного расширения
Коэффициенты линейного и объемного расширения — это скорости, с которыми материал расширяется. Для изотропных материалов эти два коэффициента связаны: b = 3a .
Ниже вы можете найти список наиболее распространенных коэффициентов линейного расширения.
Алюминий: 22.2 × 10 ^-6 1 / К
Бетон: 14,5 × 10 ^-6 1 / K
Медь: 16,6 × 10 ^-6 1 / K
Стекло: 5,9 × 10 ^-6 1 / K
Лед: 51 × 10 ^-6 1 / K
Серебро: 19,5 × 10 ^-6 1 / K
Сталь: 12,0 × 10 ^-6 1 / K
Дерево, параллельно волокну: 3 × 10 ^-6 1 / K
Дерево, поперек (перпендикулярно) волокнам: 30 × 10 ^-6 1 / K
Как рассчитать тепловое расширение — x-инженер.org
Тепловое расширение — это физическое свойство вещества (газа, жидкости или твердого тела) изменять свою форму (длину, площадь или объем) в зависимости от температуры. Тепловое расширение связано с расширением и сжатием частиц в зависимости от температуры вещества.
Термическое расширение также можно рассматривать как частичное изменение размера материала / вещества, вызванное изменением температуры.
Изображение: Расширение и сжатие частиц
Тепловое расширение влияет на газы, жидкости и твердые тела.С математической точки зрения тепловое расширение можно описать как:
линейное (одно направление, 1-D)
площадное (два направления, 2-D)
объемное (три направления, 3-D)
Линейное и площадное (также называемое поверхностным) тепловое расширение применимо только к твердым телам. Объемное (также называемое кубическим) тепловое расширение относится как к твердым телам, так и к жидкостям. Для газов тепловое расширение описывается законом для идеального газа и трактуется иначе.
Линейное тепловое расширение
Изображение: Линейное тепловое расширение
Линейное тепловое расширение применяется в основном к твердым телам. Зная начальную длину L ₀ [м] данного твердого тела (например, металлического стержня), разность температур ΔT [ºC] и коэффициент линейного расширения твердого тела α [1 / ºC], изменение длины ΔT [м] твердого тела можно рассчитать как:
\ [\ Delta L = \ alpha \ cdot L_0 \ cdot \ Delta T \ tag {1} \]
Изменение длины прямо пропорционально изменение температуры.Чем выше разница температур, тем больше увеличивается длина материала (например, металлического стержня).
Разница в длине ΔL равна вычитанию начальной длины L ₀ из конечной длины L:
\ [\ Delta L = L — L_0 \ tag {2} \]
Путем замены (2) в (1) мы можем вычислить конечную длину (после теплового расширения) как функцию начальной длины, разности температур и коэффициента линейного теплового расширения.
\ [\ bbox [# FFFF9D] {L = L_0 \ cdot (1+ \ alpha \ cdot \ Delta T)} \ tag {3} \]
Коэффициент линейного теплового расширения непостоянен, но немного зависит от температуры.Следовательно, математическое выражение применимо только к небольшим колебаниям температуры.
Поверхностное тепловое расширение
Изображение: Поверхностное тепловое расширение
Термическое расширение также распространяется на поверхности. Представьте себе металлический лист с определенной площадью. При нагревании тот же лист металла будет иметь немного большую площадь.
Зная начальную площадь A ₀ [м ²] данного твердого тела (например, металлического листа), разность температур ΔT [ºC] и коэффициент линейного расширения твердого тела α [ 1 / ºC], изменение площади ΔA [м ²] твердого тела можно рассчитать как:
\ [\ Delta A = 2 \ cdot \ alpha \ cdot A_0 \ cdot \ Delta T \ tag {4} \ ]
Изменение площади прямо пропорционально изменению температуры. 2 \ right) \ tag {8} \]
Так как коэффициент теплового расширения очень мал (например.2 \ tag {9} \]
уравнение (8) превращается в (6).
Тот же принцип применяется к поверхностному тепловому расширению. Коэффициент линейного теплового расширения непостоянен, но незначительно изменяется в зависимости от температуры. Следовательно, математическое выражение применимо только к небольшим колебаниям температуры.
Объемное тепловое расширение
Изображение: Тепловое расширение (объемное)
Тепловое расширение вызывает изменения объема твердых и жидких тел в зависимости от температуры.
Зная начальный объем V ₀ [м ³] данного твердого тела, разность температур ΔT [ºC] и коэффициент линейного расширения твердого тела α [1 / ºC], изменение объема ΔV [м ³] твердого тела можно рассчитать как:
\ [\ Delta V = 3 \ cdot \ alpha \ cdot V_0 \ cdot \ Delta T \ tag {10} \]
Изменение объем прямо пропорционален изменению температуры. 3 \ right) \ tag {14} \ ]
Поскольку коэффициент теплового расширения очень мал, кубическими и квадратичными членами уравнения (14) можно пренебречь.3 \ tag {15} \]
уравнение (14) превращается в (12).
Для расчетов объемного теплового расширения мы можем использовать коэффициент объемного теплового расширения β вместо коэффициента линейного теплового расширения α.
\ [\ beta \ приблизительно 3 \ cdot \ alpha \ tag {16} \]
, который дает уравнение для изменения объема:
\ [\ bbox [# FFFF9D] {\ Delta V = \ beta \ cdot V_0 \ cdot \ Delta T} \ tag {17} \]
Тот же принцип применяется к объемному тепловому расширению.Коэффициент объемного теплового расширения непостоянен, но незначительно изменяется в зависимости от температуры. Следовательно, математическое выражение применимо только к небольшим колебаниям температуры.
Коэффициент теплового расширения получен из экспериментальных данных . В таблице ниже вы можете найти значения коэффициента теплового расширения для обычных веществ.
-6 ^-65 Инвар
Материал Коэффициент линейного расширения Коэффициент объемного расширения
Твердые вещества
Алюминий 900 25 · 10
Латунь 19 · 10 ^-6 56 · 10 ^-6
Медь 17 · 10 ^-6 51 · 10 ^-6
Золото 14 · 10 ^-6 42 · 10 ^-6
Железо 12 · 10 ^-6 35 · 10 ^-6
0.9 · 10 ^-6 2,7 · 10 ^-6
Свинец 29 · 10 ^-6 87 · 10 ^-6
Серебро 18 · 10 ^-6 54 · 10 ^-6
Стекло 9 · 10 ^-6 27 · 10 ^-6
Стекло 3 · 10 ^-6 9 · 10 ^-6
Кварц 0.4 · 10 ^-6 1 · 10 ^-6
Бетон 12 · 10 ^-6 36 · 10 ^-6
Мрамор 7 · 10 ^-6 21 · 10 ^-6
Жидкости
Эфир 1650 · 10 ^-6
Этил 808-600
Бензин 950 · 10 ^-6
Глицерин 500 · 10 ^-6
Ртуть 180 · 10 808 2 9002 210 · 10 ^-6
Газы
Воздух и большинство других газов при атмосферном давлении 3400 · 10 ^-6
Источник:
College Physics, openstax, Rice University
Wikipedia
Примеры теплового расширения
Пример 1 (линейное тепловое расширение) .{-6} \ cdot 1500 \ cdot 60 = 1.08 \ text {m} \]
Шаг 4 . Рассчитайте общую окончательную длину
\ [L = L_0 + \ Delta L = 1500 + 1.08 = 1501.08 \ text {m} \]
Изменение длины очень мало по сравнению с начальной длиной моста. Однако это заметно и может вызвать структурные проблемы, если не учтено на этапе проектирования . Из-за теплового расширения металлические перемычки состоят из нескольких секций, между которыми есть воздушные зазоры, чтобы обеспечить функцию теплового расширения при изменении температуры.
Тепловое расширение также оказывает большое влияние на железнодорожные пути. Железнодорожный путь длиной 10 км не состоит из цельного куска стали, а разделен на несколько частей с воздушными зазорами (пространствами расширения) между ними. Зимой воздушные зазоры больше, потому что рельсы имеют меньшую длину, а летом воздушные зазоры мало заметны, потому что рельсы имеют увеличенную длину из-за теплового расширения.
Пример 2 (тепловое расширение площади) . \ circ \ text {C} \\
\ end { split} \]
Шаг 2 .{-6} \ cdot 50 \ cdot 60 = 2,85 \ text {L} \]
Шаг 5 . Рассчитаем избыточный объем топлива
\ [V_ {ex} = \ Delta V_f - \ Delta V_t = 2.85 - 0.108 = 2.742 \ text {L} \]
Мы видим, что топлива больше, чем полная емкость бака , а это значит, что излишки топлива разольются.
Вы также можете проверить свои результаты, используя калькулятор ниже.
Калькулятор теплового расширения
Биметаллические полосы
Биметаллическая полоса состоит из двух металлов, соединенных вместе, с разным коэффициентом теплового расширения.
Изображение: биметаллическая полоса
Две металлические полоски склеиваются вместе при эталонной температуре (например, 20 ° C) и имеют равную длину. При изменении температуры, поскольку они имеют разный коэффициент теплового расширения, изменение длины (ΔL) каждой полосы будет различным. Склеиваясь вместе, полоса изгибается в зависимости от изменения температуры.
Биметаллические элементы используются в качестве переключателей в электрических цепях для размыкания / замыкания электрических контактов в зависимости от внешней температуры или тока в цепи.
Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!
Тепловое расширение - Университетская физика, том 2
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
Ответьте на качественные вопросы о эффектах теплового расширения
Решение проблем, связанных с тепловым расширением, в том числе с тепловым напряжением
Расширение спирта в термометре - один из многих часто встречающихся примеров теплового расширения, которое представляет собой изменение размера или объема данной системы при изменении ее температуры.Самый наглядный пример - расширение горячего воздуха. Когда воздух нагревается, он расширяется и становится менее плотным, чем окружающий воздух, который затем оказывает (направленное вверх) силу на горячий воздух и заставляет пар и дым подниматься, воздушные шары плавают и т. Д. Такое же поведение происходит со всеми жидкостями и газами, вызывая естественную теплопередачу вверх в домах, океанах и погодных системах, как мы обсудим в следующем разделе. Твердые тела также подвергаются тепловому расширению. Например, железнодорожные пути и мосты имеют компенсаторы, позволяющие им свободно расширяться и сжиматься при изменении температуры, как показано на (Рисунок).
(a) Такие термические компенсаторы на мосту через гавань Окленда в Новой Зеландии (b) позволяют мостам изменять длину без потери устойчивости. (кредит: модификация работ «ŠJů» / Wikimedia Commons)
Какова основная причина теплового расширения? Как упоминалось ранее, повышение температуры означает увеличение кинетической энергии отдельных атомов. В твердом теле, в отличие от газа, молекулы удерживаются на месте силами соседних молекул; как мы видели в «Колебаниях», силы можно моделировать как гармонические пружины, описываемые потенциалом Леннарда-Джонса.Энергия в простом гармоническом движении показывает, что такие потенциалы асимметричны в том смысле, что потенциальная энергия возрастает более круто, когда молекулы приближаются друг к другу, чем когда они удаляются. Таким образом, при данной кинетической энергии пройденное расстояние больше, когда соседи удаляются друг от друга, чем когда они движутся навстречу друг другу. В результате повышенная кинетическая энергия (повышенная температура) увеличивает среднее расстояние между молекулами - вещество расширяется.
Для большинства веществ в обычных условиях это отличное приближение, что нет предпочтительного направления (т. Е. Твердое тело является «изотропным»), а увеличение температуры увеличивает размер твердого тела на определенную долю в каждом измерении.Следовательно, если твердое тело может расширяться или сжиматься, его пропорции остаются прежними; изменяется только его общий размер.
(рисунок) перечислены репрезентативные значения коэффициента линейного расширения. Как отмечалось ранее, одинаковы независимо от того, выражены ли они в градусах Цельсия или Кельвинах; таким образом, может иметь единицы или 1 / K с одинаковым значением в любом случае. Приближение как константа довольно точно для небольших изменений температуры и достаточно для большинства практических целей, даже для больших изменений температуры.Мы рассмотрим это приближение более подробно в следующем примере.
В биметаллической полосе используется тепловое расширение ((рисунок)). Это устройство можно использовать как термометр, если изогнутая полоска прикреплена к стрелке на шкале. Его также можно использовать для автоматического включения или выключения переключателя при определенной температуре, как в старых или аналоговых термостатах.
Тепловое расширение в двух и трех измерениях
Неограниченные объекты расширяются во всех измерениях, как показано на (Рисунок).То есть их площадь и объем, а также длина увеличиваются с температурой. Поскольку пропорции остаются прежними, отверстия и объемы контейнеров также увеличиваются с температурой. Если вы прорежете отверстие в металлической пластине, оставшийся материал расширится точно так же, как если бы кусок, который вы удалили, все еще был на месте. Кусок станет больше, значит, и отверстие должно стать больше.
Как правило, объекты расширяются во всех направлениях при повышении температуры. На этих чертежах исходные границы объектов показаны сплошными линиями, а расширенные границы - пунктирными линиями.(а) Площадь увеличивается из-за увеличения длины и ширины. Увеличивается и площадь круглой пробки. (b) Если заглушку удалить, оставшееся отверстие становится больше с повышением температуры, как если бы расширяющаяся заглушка все еще оставалась на месте. (c) Объем также увеличивается, потому что все три измерения увеличиваются.
Объемное расширение определяется для жидкостей, но линейное расширение и расширение по площади - нет, поскольку изменение линейных размеров и площади жидкости зависит от формы ее контейнера.Таким образом, (Рисунок) показывает значения жидкостей, но не.
В общем, объекты расширяются с повышением температуры. Вода - самое важное исключение из этого правила. Вода действительно расширяется с повышением температуры (ее плотность уменьшается на ) при температурах выше, чем. Однако он наиболее плотный и расширяется на при понижении температуры между и (), как показано на (Рисунок). Ярким следствием этого явления является замерзание воды в пруду. Когда вода у поверхности остывает, она становится плотнее оставшейся воды и опускается на дно.Этот «оборот» оставляет у поверхности слой более теплой воды, которая затем охлаждается. Однако, если температура в поверхностном слое падает ниже, эта вода менее плотная, чем вода внизу, и, таким образом, остается около вершины. В результате поверхность пруда может замерзнуть. Слой льда изолирует жидкую воду под ним от низких температур воздуха. Рыба и другие водные животные могут выжить в воде подо льдом из-за этой необычной характеристики воды.
Расчет теплового расширения Предположим, у вас 60.0-L -gal) стальной бензобак заполнен холодным газом, потому что его только что выкачали из подземного резервуара. Теперь и бак, и бензин имеют температуру: Сколько бензина вылилось к тому времени, когда они нагреются до?
Стратегия Бак и бензин увеличиваются в объеме, но количество бензина увеличивается больше, поэтому количество разлитого является разницей в изменении их объема. Мы можем использовать уравнение объемного расширения, чтобы рассчитать изменение объема бензина и бака.(Бензобак можно рассматривать как твердый стальной.)
Решение
Используйте уравнение для объемного расширения, чтобы рассчитать увеличение объема стального резервуара:
Увеличение объема бензина определяется следующим уравнением:
Найдите разницу в объеме, чтобы определить разлитое количество как
В качестве альтернативы мы можем объединить эти три уравнения в одно уравнение. (Обратите внимание, что исходные объемы равны.)
Значение Эта сумма значительна, особенно для резервуара объемом 60,0 л. Эффект такой поразительный, потому что бензин и сталь быстро расширяются. Скорость изменения тепловых свойств обсуждается далее в этой главе.
Если вы попытаетесь плотно закрыть резервуар, чтобы предотвратить переполнение, вы обнаружите, что он все равно протекает либо вокруг крышки, либо в результате разрыва резервуара. Сильное сжатие расширяющегося газа эквивалентно его сжатию, и как жидкости, так и твердые тела сопротивляются сжатию с чрезвычайно большими силами.Чтобы избежать разрыва жестких контейнеров, в этих контейнерах есть воздушные зазоры, которые позволяют им расширяться и сжиматься, не нагружая их.
Проверьте свое понимание Указывает ли данное показание на указателе уровня бензина больше бензина в холодную или жаркую погоду, или температура не имеет значения?
Фактическое количество (масса) бензина, оставшегося в баке, когда манометр показывает «пустой», летом меньше, чем зимой. Бензин имеет тот же объем, что и зимой, когда горит лампочка «долейте топлива», но из-за того, что бензин расширился, масса меньше.
Термическое напряжение
Если вы измените температуру объекта, не допуская его расширения или сжатия, объект подвергнется сжимающему напряжению, если объект будет расширяться в отсутствие ограничений, и растяжению, если он будет сжиматься. Это напряжение, возникающее в результате температурных изменений, известно как термическое напряжение. Он может быть довольно большим и вызвать повреждение.
Чтобы избежать этого стресса, инженеры могут проектировать компоненты так, чтобы они могли свободно расширяться и сжиматься.Например, на автомагистралях между блоками намеренно оставляют промежутки, чтобы предотвратить развитие теплового напряжения. Когда невозможно оставить зазоры, инженеры должны учитывать термическое напряжение в своих конструкциях. Таким образом, арматурные стержни в бетоне изготавливаются из стали, потому что коэффициент линейного расширения стали почти равен коэффициенту линейного расширения бетона.
Чтобы рассчитать термическое напряжение в стержне, оба конца которого жестко закреплены, мы можем представить себе напряжение как развивающееся в два этапа. Во-первых, позвольте концам свободно расширяться (или сжиматься) и обнаруживать расширение (или сжатие).Во-вторых, найдите напряжение, необходимое для сжатия (или удлинения) стержня до его первоначальной длины, с помощью методов, которые вы изучали в статье «Статическое равновесие и упругость» по статическому равновесию и упругости. Другими словами, тепловое расширение равно упругой деформации (за исключением противоположных знаков).
Проверьте свое понимание Два объекта A и B имеют одинаковые размеры и одинаково связаны. A изготовлен из материала с более высоким коэффициентом теплового расширения, чем B .Если предметы нагреваются одинаково, будет ли A испытывать большее напряжение, чем B ?
Не обязательно, поскольку термическое напряжение также пропорционально модулю Юнга.
Резюме
Тепловое расширение - это увеличение размера (длины, площади или объема) тела из-за изменения температуры, обычно повышения. Термическое сжатие - это уменьшение размера из-за изменения температуры, обычно ее понижения.
Тепловое напряжение создается при ограничении теплового расширения или сжатия.
Концептуальные вопросы
Налейте холодную воду в горячую стеклянную или керамическую посуду, чтобы ее легко разбить. Что вызывает взлом? Объясните, почему Pyrex®, стекло с небольшим коэффициентом линейного расширения, менее восприимчиво.
Холодная вода охлаждает часть внутренней поверхности, заставляя ее сокращаться, в то время как остальная часть остается расширенной. Напряжение слишком велико для прочности материала. Пирекс меньше сжимается, поэтому меньше нагружается.
Один из методов обеспечения плотной посадки, например металлического штифта в отверстии в металлическом блоке, заключается в изготовлении штифта немного большего размера, чем отверстие.Затем вставляется колышек, когда температура отличается от температуры блока. Должен ли блок быть горячее или холоднее стержня во время вставки? Поясните свой ответ.
Действительно ли помогает полить горячей водой плотную металлическую крышку стеклянной банки, прежде чем пытаться ее открыть? Поясните свой ответ.
В принципе, крышка расширяется больше, чем банка, потому что металлы имеют более высокий коэффициент расширения, чем стекло. Это должно упростить откручивание крышки. (На практике намокание крышки и банки может затруднить их захват.)
Когда термометр с холодным спиртом помещается в горячую жидкость, столб спирта опускается на немного ниже , прежде чем подняться. Объяснить, почему.
Рассчитайте длину 1-метрового стержня из материала с коэффициентом теплового расширения при повышении температуры с 300 K до 600 K. Принимая ваш ответ как новую начальную длину, найдите длину после того, как стержень снова остынет до 300. К. Ваш ответ 1 метр? Так должно быть? Как вы можете объяснить полученный результат?
Заметив большие напряжения, которые могут быть вызваны тепловым расширением, изобретатель оружия-любитель решает использовать его для создания нового вида оружия.Он планирует прижать пулю к алюминиевому стержню внутри закрытой инварной трубки. Когда он нагревает трубку, стержень расширяется больше, чем трубка, и создается очень сильное усилие. Затем методом, который еще предстоит определить, он откроет трубку за доли секунды и позволит силе стержня запустить пулю с очень высокой скоростью. Что он упускает из виду?
Проблемы
Высота монумента Вашингтона в день при температуре воздуха составляет 170,00 м. Какова будет его высота в день, когда температура упадет до? Хотя памятник сделан из известняка, предположим, что его коэффициент теплового расширения такой же, как у мрамора.Дайте ответ до пяти значащих цифр.
Используя (рисунок) найти коэффициент теплового расширения мрамора:
.
(Ответ округлен до пяти значащих цифр, чтобы показать небольшую разницу в высоте.)
Насколько выше становится Эйфелева башня в конце дня, когда температура повысилась на ее первоначальную высоту 321 м, и вы можете предположить, что она сделана из стали.
Как изменится длина ртутного столба длиной 3,00 см, если его температура изменится с на, если предположить, что ртуть ограничена цилиндром, но не ограничена по длине? Ваш ответ покажет, почему термометры содержат на дне лампочки, а не простые столбики с жидкостью.
Используя (рисунок) найти коэффициент теплового расширения ртути:
.
Какого размера следует оставлять компенсационный зазор между стальными железнодорожными рельсами, если они могут достигать максимальной температуры выше, чем при укладке? Их первоначальная длина - 10,0 м.
Вы хотите купить небольшой участок земли в Гонконге. Цена «всего»? 60 000 за квадратный метр. В праве собственности указано, что размеры такие. Насколько изменилась бы общая цена, если бы вы измерили посылку стальной рулеткой в день, когда температура была выше температуры, на которую рассчитана рулетка? Размеры земли не меняются.
Глобальное потепление вызовет повышение уровня моря отчасти из-за таяния ледяных шапок и отчасти из-за расширения воды по мере повышения средней температуры океана. Чтобы получить некоторое представление о величине этого эффекта, рассчитайте изменение длины водяного столба высотой 1,00 км при повышении температуры на. Предположим, что столбец не может расширяться в сторону. В качестве модели океана это разумное приближение, поскольку только части океана, очень близкие к поверхности, могут расширяться в сторону на сушу, и только в ограниченной степени.В качестве еще одного приближения пренебрегайте тем фактом, что потепление океана не равномерно по глубине.
(a) Если стеклянный стакан емкостью 500 мл заполнен до краев этиловым спиртом при температуре 25 ° C, сколько он выйдет за край, когда температура спирта достигнет комнатной температуры? б) Насколько меньше воды могло бы перелиться через край при тех же условиях?
Физик делает чашку растворимого кофе и замечает, что по мере охлаждения кофе его уровень в стеклянной чашке падает на 3,00 мм. Покажите, что это снижение не может быть связано с тепловым сжатием, вычислив снижение уровня, если кофе находится в 7.Чашка диаметром 00 см и понижается температура от до. (Большая часть падения уровня происходит из-за выхода пузырьков воздуха.)
Если мы начнем с замерзания воды, то она превратится в лед.
Покажите это, вычислив бесконечно малое изменение объема dV куба со сторонами длиной L при изменении температуры на dT .
Тепловое расширение воды в бассейне
Я уже говорил о повышении температуры в бассейне.Мой отец сказал, что, по его мнению, уровень воды в бассейне повысился примерно на полдюйма при повышении температуры (примерно на 10 градусов по Фаренгейту). Итак, остается вопрос: мой отец сумасшедший или это возможно? Или оба верны?
Расширяется ли вода при нагревании? Да, кроме случаев, когда он тает. Почему это происходит? Жидкости на самом деле очень сложны, но вот основной ответ. Взгляните на этот газовый симулятор PhET, я знаю, что он предназначен для газов, а не для жидкостей. Я думаю, мы можем заставить его вести себя как жидкость, если вы увеличите гравитацию до максимума (в симуляторе) и немного охладите, чтобы это выглядело так:
А что произойдет, если я увеличу энергию? Каждая частица имеет больше энергии, и в результате происходит расширение.
Я действительно не уверен, действительно ли это сравнение, но, возможно, этого достаточно, чтобы вы поняли идею. Между прочим, тренажер PhET потрясающий.
Итак, что насчет воды? Один из способов смоделировать расширение воды (или что-то еще):
Где? - коэффициент расширения, который обычно не зависит от температуры. Для диапазона температуры воды в этом случае я буду использовать (с сайта hypertextbook.com)
Отлично.Теперь я могу найти изменение объема бассейна, но мне нужно изменение уровня воды. Предположим, бассейн представляет собой прямоугольный куб с площадью дна A и глубиной d. Начальный объем этого пула будет:
А затем, когда объем увеличится, окончательный объем будет:
Итак, теперь я могу переписать материал о тепловом расширении:
Самое лучшее заключается в том, что нижняя часть бассейна отменяется. Я предположил, что могу использовать среднюю глубину бассейна, я почти уверен, что это нормально (в противном случае глубина не изменится так сильно).На данный момент я готов кое-что подключить. Я предполагаю, что средняя глубина составляет 1,5 метра и изменение температуры составляет 7 ° C, тогда:
Это примерно 0,1 дюйма. Так да. При нагревании вода расширяется. Изменение уровня глубины на 1/2 дюйма кажется немного большим.
1.4: Тепловое расширение - Physics LibreTexts
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
Ответьте на качественные вопросы о эффектах теплового расширения
Решение проблем, связанных с тепловым расширением, в том числе с тепловым напряжением
Расширение спирта в термометре - один из многих часто встречающихся примеров теплового расширения , которое представляет собой изменение размера или объема данной системы при изменении ее температуры.Самый наглядный пример - расширение горячего воздуха. Когда воздух нагревается, он расширяется и становится менее плотным, чем окружающий воздух, который затем оказывает (направленное вверх) силу на горячий воздух и заставляет пар и дым подниматься, воздушные шары плавают и т. Д. Такое же поведение происходит со всеми жидкостями и газами, вызывая естественную теплопередачу вверх в домах, океанах и погодных системах, как мы обсудим в следующем разделе. Твердые тела также подвергаются тепловому расширению. Например, железнодорожные пути и мосты имеют компенсаторы, позволяющие им свободно расширяться и сжиматься при изменении температуры, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): (a) Температурные компенсаторы, подобные этим на мосту Окленд Харбор-Бридж в Новой Зеландии, позволяют мостам изменять длину без потери устойчивости. (кредит: «ŠJů» / Wikimedia Commons).
Какова основная причина теплового расширения? Как упоминалось ранее, повышение температуры означает увеличение кинетической энергии отдельных атомов. В твердом теле, в отличие от газа, молекулы удерживаются на месте силами соседних молекул; как мы видели в «Колебаниях», силы можно моделировать как гармонические пружины, описываемые потенциалом Леннарда-Джонса.Энергия в простом гармоническом движении показывает, что такие потенциалы асимметричны в том смысле, что потенциальная энергия возрастает более круто, когда молекулы приближаются друг к другу, чем когда они удаляются. Таким образом, при данной кинетической энергии пройденное расстояние больше, когда соседи удаляются друг от друга, чем когда они движутся навстречу друг другу. В результате повышенная кинетическая энергия (повышенная температура) увеличивает среднее расстояние между молекулами - вещество расширяется.
Для большинства веществ в обычных условиях это отличное приближение, что нет предпочтительного направления (т. Е. Твердое тело является «изотропным»), а увеличение температуры увеличивает размер твердого тела на определенную долю в каждом измерении.Следовательно, если твердое тело может расширяться или сжиматься, его пропорции остаются прежними; изменяется только его общий размер.
Определение: тепловое расширение в одном измерении
Согласно экспериментам, зависимость теплового расширения от температуры, вещества и исходной длины резюмируется в уравнении
\ [\ dfrac {dL} {dT} = \ alpha L \]
, где \ (L \) - исходная длина, \ (\ frac {dL} {dT} \) - изменение длины в зависимости от температуры, а \ (\ alpha \) - коэффициент линейного расширения . , a свойство материала, которое незначительно меняется в зависимости от температуры.{-6} \)
Биметаллическая полоса в качестве термометра
В биметаллической полосе используется тепловое расширение (Рисунок \ (\ PageIndex {2} \)). Это устройство можно использовать как термометр, если изогнутая полоска прикреплена к стрелке на шкале. Его также можно использовать для автоматического включения или выключения переключателя при определенной температуре, как в старых или аналоговых термостатах.
Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Кривизна биметаллической полосы зависит от температуры. (а) Полоса прямая при начальной температуре, когда два ее компонента имеют одинаковую длину.oC) \\ [4pt] & = 0,84 \, м. \ end {align *} \]
Значение
Это изменение длины заметно, хотя и невелико по сравнению с длиной моста. Обычно он распространяется на многие компенсаторы, поэтому расширение в каждом стыке невелико.
Тепловое расширение в двух и трех измерениях
Неограниченные объекты расширяются во всех измерениях, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {3} \). То есть их площадь и объем, а также длина увеличиваются с температурой.Поскольку пропорции остаются прежними, отверстия и объемы контейнеров также увеличиваются с температурой. Если вы прорежете отверстие в металлической пластине, оставшийся материал расширится точно так же, как если бы кусок, который вы удалили, все еще был на месте. Кусок станет больше, значит, и отверстие должно стать больше.
Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Обычно объекты расширяются во всех направлениях при повышении температуры. На этих чертежах исходные границы объектов показаны сплошными линиями, а расширенные границы - пунктирными линиями.(а) Площадь увеличивается из-за увеличения длины и ширины. Увеличивается и площадь круглой пробки. (b) Если заглушку удалить, оставшееся отверстие становится больше с повышением температуры, как если бы расширяющаяся заглушка все еще оставалась на месте. (c) Объем также увеличивается, потому что все три измерения увеличиваются.
Определение: тепловое расширение в двух измерениях
Для небольших изменений температуры изменение площади \ (\ Delta A \) равно
\ [\ Delta A = 2 \ alpha A \ Delta T \]
, где \ (\ Delta A \) - это область действия \ (A \), \ (\ Delta T \) - изменение температуры, а \ (\ alpha \) - коэффициент линейного расширения, который незначительно меняется в зависимости от температура.
Определение: тепловое расширение в трех измерениях
Связь между объемом и температурой \ (\ frac {dV} {dT} \) задается выражением \ (\ frac {dV} {dT} = \ beta V \ Delta T \), где \ (\ beta \) - коэффициент объемного расширения . Как вы можете показать в упражнении, \ (\ beta = 3 \ alpha \). Это уравнение обычно записывается как
\ [\ Delta V = \ beta V \ Delta T. \]
Обратите внимание, что значения \ (\ beta \) в таблице \ (\ PageIndex {1} \) равны \ (3 \ alpha \), за исключением округления.
Объемное расширение определяется для жидкостей, но линейное расширение и расширение по площади - нет, поскольку изменение линейных размеров и площади жидкости зависит от формы ее контейнера. Таким образом, Таблица \ (\ PageIndex {1} \) показывает значения жидкостей \ (\ beta \), но не \ (\ alpha \).
В общем, объекты расширяются с повышением температуры. Вода - самое важное исключение из этого правила. Вода действительно расширяется с повышением температуры (ее плотность уменьшается до ) при температурах, превышающих \ (4 ° C (40 ° F) \).oC \)?
Стратегия
Бак и бензин увеличиваются в объеме, но бензин увеличивается больше, поэтому количество пролитого является разницей в изменении их объема. Мы можем использовать уравнение объемного расширения, чтобы рассчитать изменение объема бензина и бака. (Бензобак можно рассматривать как твердый стальной.)
Решение
Используйте уравнение для увеличения объема, чтобы рассчитать увеличение объема стального резервуара: \ [\ Delta V_s = \ beta_s V_s \ Delta T. oC] (60.oC) \\ [4pt] & = 1.10 \, L. \ end {align *} \]
Значение
Это значительное количество, особенно для резервуара объемом 60,0 л. Эффект такой поразительный, потому что бензин и сталь быстро расширяются. Скорость изменения тепловых свойств обсуждается далее в этой главе.
Если вы попытаетесь плотно закрыть резервуар, чтобы предотвратить переполнение, вы обнаружите, что он все равно протекает либо вокруг крышки, либо в результате разрыва резервуара. Сильное сжатие расширяющегося газа эквивалентно его сжатию, и как жидкости, так и твердые тела сопротивляются сжатию с чрезвычайно большими силами.Чтобы избежать разрыва жестких контейнеров, в этих контейнерах есть воздушные зазоры, которые позволяют им расширяться и сжиматься, не нагружая их.
Упражнения \ (\ PageIndex {1} \)
Указывает ли данное показание манометра на большее количество бензина в холодную или жаркую погоду, или температура не имеет значения?
Ответ
Фактическое количество (масса) бензина, оставшегося в баке, когда манометр показывает «пустой», летом меньше, чем зимой.Бензин имеет тот же объем, что и зимой, когда горит лампочка «долейте топлива», но из-за того, что бензин расширился, масса меньше.
Термическое напряжение
Если вы измените температуру объекта, не допуская его расширения или сжатия, объект подвергнется сжимающему напряжению, если объект будет расширяться в отсутствие ограничений, и растяжению, если он будет сжиматься. Это напряжение, возникающее в результате температурных изменений, известно как термическое напряжение .Он может быть довольно большим и вызвать повреждение.
Чтобы избежать этого стресса, инженеры могут проектировать компоненты так, чтобы они могли свободно расширяться и сжиматься. Например, на автомагистралях между блоками намеренно оставляют промежутки, чтобы предотвратить развитие теплового напряжения. Когда невозможно оставить зазоры, инженеры должны учитывать термическое напряжение в своих конструкциях. Таким образом, арматурные стержни в бетоне изготавливаются из стали, потому что коэффициент линейного расширения стали почти равен коэффициенту линейного расширения бетона.
Чтобы рассчитать термическое напряжение в стержне, оба конца которого жестко закреплены, мы можем представить себе напряжение как развивающееся в два этапа.Во-первых, позвольте концам свободно расширяться (или сжиматься) и обнаруживать расширение (или сжатие). Во-вторых, найдите напряжение, необходимое для сжатия (или удлинения) стержня до его первоначальной длины, с помощью методов, которые вы изучали в статье «Статическое равновесие и упругость» по статическому равновесию и упругости. Другими словами, \ (\ Delta L \) теплового расширения равняется \ (\ Delta L \) упругой деформации (за исключением того, что знаки противоположны).
Пример \ (\ PageIndex {3} \): расчет термического напряжения
Бетонные блоки выкладываются на шоссе рядом друг с другом без промежутков между ними, поэтому они не могут расширяться.2 \).
Стратегия
Согласно главе о статическом равновесии и упругости, напряжение F / A определяется как
\ [\ dfrac {F} {A} = Y \ dfrac {\ Delta L} {L_0}, \ nonumber \]
где \ (Y \) - модуль Юнга материала, в данном случае бетона. oC) \\ [4pt] & = 7.2 \), поэтому некоторые могут отколоться.
Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)
Два объекта A и B имеют одинаковые размеры и одинаково связаны. A изготовлен из материала с более высоким коэффициентом теплового расширения, чем B . Если предметы нагреваются одинаково, будет ли A испытывать большее напряжение, чем B ?
Ответ
Не обязательно, поскольку термическое напряжение также пропорционально модулю Юнга.
Авторы и авторство
Сэмюэл Дж. Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами. Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).
Примеры теплового расширения и применения
Откройте для себя лучшие примеры теплового расширения и многое другое.
Итак, если вы хотите получить пользу от этого сообщения, вам понравится этот пост. Этот пост также включает:
Определение теплового расширения
Примеры теплового расширения
Приложения
Намного больше
Продолжайте читать…
Определение теплового расширения
Большинство твердых веществ, жидкостей и газов расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Их тепловое расширение и сжатие обычно невелико и незаметно.Однако эти расширения и сокращения важны в нашей повседневной жизни.
кинетическая энергия молекул объекта зависит от его температуры. Молекулы твердого тела колеблются с большей амплитудой при высокой температуре, чем при низких. Таким образом, при нагревании амплитуда колебаний атомов или молекул объекта увеличивается. Они отталкивают друг друга дальше по мере увеличения амплитуды колебаний. Тепловое расширение приводит к увеличению длины, ширины и толщины вещества.
Давайте посмотрим видео:

В чем разница между линейным тепловым расширением и объемным тепловым расширением?
Линейное тепловое расширение в твердых телах
Было замечено, что твердые тела расширяются при нагревании, и их расширение почти равномерное в широком диапазоне температур. Рассмотрим металлический стержень длиной L _° при определенной температуре T _°. Пусть его длина при нагревании до температуры T становится L .Таким образом,
Увеличение длины стержня = ΔL = L - L ₀
Повышение температуры = ΔT = T - T _°
Установлено, что изменение длины ΔL твердого тела прямо пропорционально его исходной длине L _°, а изменению температуры ΔT. То есть
ΔL ∝ L ₀ ΔT
ΔL = αL ₀ ΔT ……. (1)
L - L _{0 =} α _{L ₀} ΔT
или L = L ₀ (1 + αΔT)….. (2)
Где α называется коэффициентом линейного теплового расширения вещества. Из уравнения (1) получаем
α = ΔL / L _° ΔT
Коэффициент линейного расширения
Коэффициент линейного расширения α вещества - это увеличение длины на один градус повышения температуры.
См. Также: Температурные шкалы
Формула коэффициента линейного расширения
Ниже приведена таблица линейного теплового расширения некоторых материалов:
Объемное тепловое расширение
Объем твердого тела также изменяется с изменением температуры и называется объемным тепловым расширением или кубическим тепловым расширением.Рассмотрим твердый начальный объем V _° _. При нагревании твердое тело до температуры Т пусть его объем становится V, тогда
Изменение объема твердого тела ΔV = V - V _°
изменение температуры ΔT = T - T _°
Как и при линейном расширении, изменение объема ΔV оказывается пропорциональным его первоначальному объему V _°, и изменению температуры ΔT. Таким образом,
ΔV ∝ V _° ΔT
ΔV = βV _° ΔT …… (3)
В - В _° = βV _° ΔT
В = В _° (1 + βΔT)
Где β - температурный коэффициент объемного расширения.Из уравнения (3) получаем
β = ΔV / V _° Δ
Коэффициент объемного расширения
Температурный коэффициент объемного расширения β - это относительное изменение его объема на изменение температуры на один градус Кельвина.
См. Также: Radiant Energy
Формула коэффициента объемного расширения
Коэффициенты линейного расширения и объемного расширения связаны уравнением:
β = 3 α
Значения β для разных веществ приведены в таблице:
Последствия теплового расширения
Почему в железнодорожных путях оставляют пробелы? Расширение твердых тел может повредить мосты, железнодорожные пути и дороги, поскольку они постоянно подвергаются перепадам температуры.Таким образом, во время сжатия предусматривается расширение и сжатие в зависимости от температуры. Например, в жаркий летний день железнодорожные пути деформировались из-за расширения, если между участками не оставались промежутки.
Мосты из стальных балок также расширяются днем и сужаются ночью. Они погнутся, если их концы зафиксировать. Для обеспечения возможности теплового расширения балка опирается на ролики в зазоре, оставленном для расширения.
Воздушные линии электропередачи также имеют определенный прогиб, чтобы зимой они могли сокращаться без разрывов.
Применение теплового расширения в повседневной жизни
Тепловое расширение используется в нашей повседневной жизни.
Термометры
В термометрах при измерении температуры используется тепловое расширение.
Удаление плотных крышек
Чтобы открыть достаточно плотную крышку бутылки, погрузите в нее горячую воду на минуту или около того. Металлический колпачок расширяется и расшатывается. Теперь было бы легко повернуть его, чтобы открыть.
Клепка
Чтобы плотно соединить стальные пластины, раскаленные заклепки продевают через отверстия в пластинах.Затем забивают конец горячих заклепок. При охлаждении заклепки сжимаются и плотно захватывают пластины.
Крепление металлических шин к деревянным колесам
Железные колесные диски закреплены на деревянных колесах тележек. Железные диски нагреваются. Тепловое расширение позволяет им скользить по деревянному колесу. Для охлаждения наливается вода. Обод сжимается и плотно прилегает к колесу.
Биметаллическая полоса
Биметаллическая полоса состоит из двух тонких полос разных металлов, таких как латунь и железо, соединенных вместе.При нагревании ленты латунь расширяется больше, чем железо. Это неравномерное расширение вызывает изгиб полосы.
Биметаллические ленты
используются для различных целей. Биметаллические термометры используются для измерения температуры, особенно в печах и духовках. Биметаллические ленты используются в термостатах. Биметаллический термостат используется для регулирования температуры змеевика нагревателя в электрическом утюге.
Термостаты
Термостат - это терморегулирующее устройство, работающее по принципу теплового расширения.
Оставайтесь с нами, чтобы увидеть возможности расширения:

Примеры теплового расширения
Вот несколько примеров теплового расширения в нашей повседневной жизни.
Трещины на дороге при расширении дороги при нагревании.
Провалы в ЛЭП.
Окна с металлическим каркасом нуждаются в резиновых прокладках во избежание теплового расширения.
Деформационные швы (как стык двух железнодорожных путей).
Длина металлического стержня увеличивается при нагревании.
Шина лопается в жаркие дни при заполнении воздухом из-за теплового расширения.
Термическое расширение жидкостей
Молекулы жидкости могут свободно перемещаться во всех направлениях внутри жидкости. При нагревании жидкости средняя амплитуда колебаний ее молекул увеличивается. Молекулы толкают друг друга, и им нужно больше места, чтобы занять их. Учитывает расширение жидкости при нагревании. Тепловое расширение в жидкостях больше, чем в твердых телах из-за слабых сил между их молекулами.Следовательно, коэффициент объемного расширения жидкостей больше, чем у твердых тел.
У жидкостей нет собственной определенной формы. Жидкость всегда принимает форму емкости, в которую она наливается. Следовательно, когда жидкость нагревается, и жидкость, и емкость изменяются в своем объеме. Таким образом, существует два типа теплового объемного расширения жидкости.
Видимое расширение объема
Расширение реального объема
Аномальное расширение воды
Вода при охлаждении ниже 4 ° C начинает расширяться до 0 ° C.При дальнейшем охлаждении его объем внезапно увеличивается, поскольку он превращается в лед при 0 ° C. Когда лед охлаждается ниже 0 ° C, он сжимается, т. Е. Его объем уменьшается, как у твердого вещества. Это необычное расширение воды называется аномальным расширением воды.
Связанные темы:
Тепловое расширение
При нагревании объекты имеют тенденцию расширяться, а при охлаждении - сжиматься. Вы можете использовать это, чтобы открывать стеклянные банки с плотными металлическими крышками, промывая крышки горячей водой.Повышение температуры крышки приводит к расширению металлической крышки и стеклянной банки, но поскольку большинство металлов расширяются быстрее, чем стекло, крышка становится более неплотной, что облегчает открытие банки.
Это происходит потому, что при более высоких температурах объекты имеют более высокую кинетическую энергию, поэтому их частицы вибрируют сильнее. На этих более высоких уровнях вибрации частицы не связаны друг с другом так сильно, что объект расширяется.
Степень расширения объекта можно рассчитать как для одномерного (линейного), так и для трехмерного (объемного) расширения.Степень расширения материала характеризуется коэффициентом расширения материала. При расчете одномерного расширения материала вы можете использовать формулу линейного расширения и линейный коэффициент расширения материала (α).
При расчете трехмерного расширения материала вы будете использовать формулу объемного расширения и объемный коэффициент расширения материала (β). Обратите внимание, что в большинстве случаев объемный коэффициент расширения примерно в три раза превышает линейный коэффициент расширения.
Изменение температуры в уравнениях разложения может быть выражено либо в градусах Цельсия, либо в Кельвинах.
Примерная таблица, показывающая коэффициенты теплового расширения для выбранных материалов, приведена ниже.
* Вода фактически расширяется при замерзании, поэтому расчеты вблизи точки замерзания воды требуют более подробного анализа, чем приведенный здесь.
Вопрос: Бетонная шпала имеет длину 2.45 метров в жаркий солнечный день с температурой 35 ° C. Какова длина шпал зимой, когда температура опускается до -25 ° C?
Ответ: Сначала найдите изменение длины галстука.
Затем вы можете определить окончательную длину шпал, используя начальная длина и ее изменение длины.
Вопрос: Алюминиевый стержень имеет длину ровно один метр при 300K.Насколько дольше он помещается в духовку с температурой 400 ° C?
Ответ: Поскольку температуры даны в двух разных наборах единиц, сначала необходимо найти общий сдвиг температуры в последовательных единицах (например, в Кельвинах).
Сдвиг температуры, следовательно, должен составлять 673,15–300 К, или 373,15 К. Затем вы можете использовать уравнение линейного расширения, чтобы найти сдвиг длины стержня.
Вопрос: Стакан воды объемом 1 литр полностью заполнен при 5 ° C.Сколько воды выльется из стакана при повышении температуры до 85 ° C?
Ответ: В этой ситуации и стекло, и вода внутри будут расширяться при повышении температуры. Вы можете рассматривать как стекло, так и воду как объемное расширение. Начните с обнаружения расширения воды.
Аналогичным образом можно найти расширение стекла.
Количество вытекшей воды равно разнице между расширением воды и расширением стекла, или 0.015 литров.
.
No related posts.

Коэффициент температурного расширения

Определение и формула коэффициента температурного расширения

Связь коэффициентов теплового расширения

Единицы измерения

Примеры решения задач

Термическое расширение твёрдых тел и жидкостей — урок. Физика, 8 класс.

Коррекция объема расширительного бака

Читайте также:

Теплоемкость и тепловое расширение воды Текст научной статьи по специальности «Физика»

Линейное тепловое удлинение материалов

Расчет температурного линейного расширения

Как определить температурное линейное расширение

Какие материалы чаще всего подвергаются расширению

Расширение кирпича при нагреве. Онлайн расчет температурного линейного расширения материалов, металлов, камней, пластиков

Коэффициенты линейного расширения строительных материалов

Сравнение шамота и кирпича

Шамотные изделия для печей и каминов

Как строят теплоёмкие печи в России?

Как строят теплоёмкие печи в Германии?

Из чего кладут теплоёмкую печь?

в России

в Германии

в Германии

В чём разница?

Область применения

Химический состав

Устойчивость к перепадам температур (TWB)

Шамот — 30 циклов!

Физические свойства

Результаты испытаний (шамот)

Влагопоглощение, плотность и открытая пористость

Прочность на изгиб, мПа

Анализ расширения-усадки

Результаты испытаний (кирпич)

Влагопоглощение, плотность и открытая пористость

Прочность на изгиб, мПа

Анализ расширения-усадки

В чём разница?

Температурное расширение

Выводы: Кирпич

Выводы: Шамотный камень российского производства

Выводы: Шамот

Инструменты для работы с шамотом HBO+

инструмент для влажной резки

мгновенный результат!

Смесь Универсал HKM

Смесь Универсал HM

Смесь НКМ и кирпич

Толщина швов при кладке печи. Секреты при кладке печи. Vip-Ochag.ru

Основные правила кладки печи

06.04. Автор статьи Виталий Кострюков.

Добавить комментарий

Кладка печи. Конструкции сводов, окон и вспомогательных узлов печи, их назначение

Температурные деформации заполнителя.

Как сложить печь своими руками (фото и видео)

У кладки обязательно должна иметься перевязка

Топочную камеру в печь рекомендуется делать из шамотного огнеупорного кирпича

Линейное тепловое удлинение материалов

Расчет температурного линейного расширения

Как определить температурное линейное расширение

Какие материалы чаще всего подвергаются расширению

kamin.studio — Tолщина швов печной кладки

06.04.2015 Автор статьи Виталий Кострюков.

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ, ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ, ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ ГАЗОВ

РАБОТЫ ДАЛЬТОНА ПО РАСШИРЕНИЮ ГАЗОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ УПРУГОСТИ ВОДЯНЫХ ПАРОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ УПРУГОСТИ ПАРОВ

ДИФФУЗИЯ ГАЗОВ. ТЕОРИЯ ИСПАРЕНИЯ

ОТНОШЕНИЕ ФИЗИКОВ К ТРУДАМ ДАЛЬТОНА

РАСШИРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

РАСШИРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ЖИДКОСТЕЙ. БОРЬБА ВОКРУГ ТЕОРИЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Калькулятор теплового расширения

Что такое тепловое расширение?

Линейное и объемное расширение

Уравнение теплового расширения

Коэффициент линейного расширения

Как рассчитать тепловое расширение — x-инженер.org