-->
|
|
|
Ãëàâíàÿ >> Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà. Òåðìîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10 êë. Ìÿêèøåâ |
|
Ãëàâà 9. Òåïëîâîå ðàñøèðåíèå òâåðäûõ è æèäêèõ òåë § 9.4. Ó÷åò è èñïîëüçîâàíèå òåïëîâîãî ðàñøèðåíèÿ òåë â òåõíèêå
Ó÷åò òåïëîâîãî ðàñøèðåíèÿ òåëÈçìåíåíèå ðàçìåðîâ òâåðäûõ òåë âñëåäñòâèå òåïëîâîãî ðàñøèðåíèÿ ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ îãðîìíûõ ñèë óïðóãîñòè, åñëè äðóãèå òåëà ïðåïÿòñòâóþò ýòîìó èçìåíåíèþ ðàçìåðîâ. Íàïðèìåð, ñòàëüíàÿ ìîñòîâàÿ áàëêà ñå÷åíèåì 100 ñì2 ïðè íàãðåâàíèè îò -40 °Ñ çèìîé äî +40 °Ñ ëåòîì, åñëè îïîðû ïðåïÿòñòâóþò åå óäëèíåíèþ, ñîçäàåò äàâëåíèå íà îïîðû (íàïðÿæåíèå) äî 1,6 • 108 Ïà, ò. å. äåéñòâóåò íà îïîðû ñ ñèëîé 1,6 • 106 Í. Ïðèâåäåííûå çíà÷åíèÿ ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû èç çàêîíà Ãóêà è ôîðìóëû (9.2.1) äëÿ òåïëîâîãî ðàñøèðåíèÿ òåë. Ñîãëàñíî çàêîíó Ãóêà ìåõàíè÷åñêîå íàïðÿæåíèå σ = Eα1Δt. (9.4.1) Ó ñòàëè ìîäóëü Þíãà Å = 2,1 • 1011 Ïà, òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò ëèíåéíîãî ðàñøèðåíèÿ α1 = 9 • 10-6Ê-1. Ïîäñòàâèâ ýòè äàííûå â âûðàæåíèå (9.4.1), ïîëó÷èì, ÷òî ïðè Δt = 80 °Ñ ìåõàíè÷åñêîå íàïðÿæåíèå σ = 1,6 • 108 Ïà. Òàê êàê S = 10-2 ì2, òî ñèëà F = σS = 1,6 • 106 Í. Äëÿ äåìîíñòðàöèè ñèë, ïîÿâëÿþùèõñÿ ïðè îõëàæäåíèè ìåòàëëè÷åñêîãî ñòåðæíÿ, ìîæíî ïðîäåëàòü ñëåäóþùèé îïûò. Íàãðååì æåëåçíûé ñòåðæåíü ñ îòâåðñòèåì íà êîíöå, â êîòîðîå âñòàâëåí ÷óãóííûé ñòåðæåíåê (ðèñ. 9.5). Çàòåì âñòàâèì ýòîò ñòåðæåíü â ìàññèâíóþ ìåòàëëè÷åñêóþ ïîäñòàâêó ñ ïàçàìè. Ïðè îõëàæäåíèè ñòåðæåíü ñîêðàùàåòñÿ, è â íåì âîçíèêàþò ñòîëü áîëüøèå ñèëû óïðóãîñòè, ÷òî ÷óãóííûé ñòåðæåíåê ëîìàåòñÿ.
Òåïëîâîå ðàñøèðåíèå òåë íóæíî ó÷èòûâàòü ïðè êîíñòðóèðîâàíèè ìíîãèõ ñîîðóæåíèé. Íåîáõîäèìî ïðèíèìàòü ìåðû äëÿ òîãî, ÷òîáû òåëà ìîãëè ñâîáîäíî ðàñøèðÿòüñÿ èëè ñæèìàòüñÿ ïðè èçìåíåíèè òåìïåðàòóðû. Íåëüçÿ, íàïðèìåð, òóãî íàòÿãèâàòü òåëåãðàôíûå ïðîâîäà, à òàêæå ïðîâîäà ëèíèé ýëåêòðîïåðåäà÷è (ËÝÏ) ìåæäó îïîðàìè. Ëåòîì ïðîâèñàíèå ïðîâîäîâ çàìåòíî áîëüøå, ÷åì çèìîé.
Ìåòàëëè÷åñêèå ïàðîïðîâîäû, à òàêæå òðóáû âîäÿíîãî îòîïëåíèÿ ïðèõîäèòñÿ ñíàáæàòü èçãèáàìè (êîìïåíñàòîðàìè) â âèäå ïåòåëü (ðèñ. 9.6). Âíóòðåííèå íàïðÿæåíèÿ ìîãóò âîçíèêàòü ïðè íåðàâíîìåðíîì íàãðåâàíèè îäíîðîäíîãî òåëà. Íàïðèìåð, ñòåêëÿííàÿ áóòûëêà èëè ñòàêàí èç òîëñòîãî ñòåêëà ìîãóò ëîïíóòü, åñëè íàëèòü â íèõ ãîðÿ÷åé âîäû.  ïåðâóþ î÷åðåäü ïðîèñõîäèò íàãðåâ âíóòðåííèõ ÷àñòåé ñîñóäà, ñîïðèêàñàþùèõñÿ ñ ãîðÿ÷åé âîäîé. Îíè ðàñøèðÿþòñÿ è îêàçûâàþò ñèëüíîå äàâëåíèå íà âíåøíèå õîëîäíûå ÷àñòè. Ïîýòîìó ìîæåò ïðîèçîéòè ðàçðóøåíèå ñîñóäà. Òîíêèé æå ñòàêàí íå ëîïàåòñÿ ïðè íàëèâàíèè â íåãî ãîðÿ÷åé âîäû, òàê êàê åãî âíóòðåííÿÿ è âíåøíÿÿ ÷àñòè îäèíàêîâî áûñòðî ïðîãðåâàþòñÿ. Î÷åíü ìàëûé òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò ëèíåéíîãî ðàñøèðåíèÿ èìååò êâàðöåâîå ñòåêëî. Òàêîå ñòåêëî âûäåðæèâàåò, íå òðåñêàÿñü, íåðàâíîìåðíîå íàãðåâàíèå èëè îõëàæäåíèå. Íàïðèìåð, â ðàñêàëåííóþ äîêðàñíà êîëáî÷êó èç êâàðöåâîãî ñòåêëà ìîæíî âëèâàòü õîëîäíóþ âîäó, òîãäà êàê êîëáà èç îáû÷íîãî ñòåêëà ïðè òàêîì îïûòå ëîïàåòñÿ. Ðàçíîðîäíûå ìàòåðèàëû, ïîäâåðãàþùèåñÿ ïåðèîäè÷åñêîìó íàãðåâàíèþ è îõëàæäåíèþ, ñëåäóåò ñîåäèíÿòü âìåñòå òîëüêî òîãäà, êîãäà èõ ðàçìåðû ïðè èçìåíåíèè òåìïåðàòóðû ìåíÿþòñÿ îäèíàêîâî. Ýòî îñîáåííî âàæíî ïðè áîëüøèõ ðàçìåðàõ èçäåëèé. Òàê, íàïðèìåð, æåëåçî è áåòîí ïðè íàãðåâàíèè ðàñøèðÿþòñÿ îäèíàêîâî. Èìåííî ïîýòîìó øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èë æåëåçîáåòîí — çàòâåðäåâøèé áåòîííûé ðàñòâîð, çàëèòûé â ñòàëüíóþ ðåøåòêó — àðìàòóðó (ðèñ. 9.7). Åñëè áû æåëåçî è áåòîí ðàñøèðÿëèñü ïî-ðàçíîìó, òî â ðåçóëüòàòå ñóòî÷íûõ è ãîäîâûõ êîëåáàíèé òåìïåðàòóðû æåëåçîáåòîííîå ñîîðóæåíèå âñêîðå áû ðàçðóøèëîñü.
Åùå íåñêîëüêî ïðèìåðîâ. Ìåòàëëè÷åñêèå ïðîâîäíèêè, âïàÿííûå â ñòåêëÿííûå áàëëîíû ýëåêòðîëàìï è ðàäèîëàìï, äåëàþò èç ñïëàâà (æåëåçà è íèêåëÿ), èìåþùåãî òàêîé æå êîýôôèöèåíò ðàñøèðåíèÿ, êàê è ñòåêëî, èíà÷å ïðè íàãðåâàíèè ìåòàëëà ñòåêëî òðåñíóëî áû. Ýìàëü, êîòîðîé ïîêðûâàþò ïîñóäó, è ìåòàëë, èç êîòîðîãî ýòà ïîñóäà èçãîòîâëÿåòñÿ, äîëæíû èìåòü îäèíàêîâûé êîýôôèöèåíò ëèíåéíîãî ðàñøèðåíèÿ.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå ýìàëü áóäåò ëîïàòüñÿ ïðè íàãðåâàíèè è îõëàæäåíèè ïîêðûòîé åþ ïîñóäû. Çíà÷èòåëüíûå ñèëû ìîãóò ðàçâèâàòüñÿ è æèäêîñòüþ, åñëè íàãðåâàòü åå â çàìêíóòîì ñîñóäå, íå ïîçâîëÿþùåì æèäêîñòè ðàñøèðÿòüñÿ. Ýòè ñèëû ìîãóò ïðèâåñòè ê ðàçðóøåíèþ ñîñóäîâ, â êîòîðûõ ñîäåðæèòñÿ æèäêîñòü. Ïîýòîìó ñ ýòèì ñâîéñòâîì æèäêîñòè òîæå ïðèõîäèòñÿ ñ÷èòàòüñÿ. Íàïðèìåð, ñèñòåìû òðóá âîäÿíîãî îòîïëåíèÿ âñåãäà ñíàáæàþòñÿ ðàñøèðèòåëüíûì áàêîì, ïðèñîåäèíåííûì ê âåðõíåé ÷àñòè ñèñòåìû è ñîîáùàþùèìñÿ ñ àòìîñôåðîé. Ïðè íàãðåâàíèè âîäû â ñèñòåìå òðóá íåáîëüøàÿ ÷àñòü âîäû ïåðåõîäèò â ðàñøèðèòåëüíûé áàê, è ýòèì èñêëþ÷àåòñÿ íàïðÿæåííîå ñîñòîÿíèå âîäû è òðóá. Ïî ýòîé æå ïðè÷èíå â ñèëîâîì òðàíñôîðìàòîðå ñ ìàñëÿíûì îõëàæäåíèåì íàâåðõó èìååòñÿ ðàñøèðèòåëüíûé áàê äëÿ ìàñëà. Ïðè ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû óðîâåíü ìàñëà â áàêå ïîâûøàåòñÿ, ïðè îõëàæäåíèè ìàñëà — ïîíèæàåòñÿ. Èñïîëüçîâàíèå òåïëîâîãî ðàñøèðåíèÿ â òåõíèêåÒåïëîâîå ðàñøèðåíèå òåë íàõîäèò øèðîêîå ïðèìåíåíèå â òåõíèêå. Ïðèâåäåì ëèøü íåñêîëüêî ïðèìåðîâ. Äâå ðàçíîðîäíûå ïëàñòèíêè (íàïðèìåð, æåëåçíàÿ è ìåäíàÿ), ñâàðåííûå âìåñòå, îáðàçóþò òàê íàçûâàåìóþ áèìåòàëëè÷åñêóþ ïëàñòèíêó (ðèñ. 9.8). Ïðè íàãðåâàíèè òàêèå ïëàñòèíêè èçãèáàþòñÿ âñëåäñòâèå òîãî, ÷òî îäíà ðàñøèðÿåòñÿ ñèëüíåå äðóãîé. Òà èç ïîëîñîê (ìåäíàÿ), êîòîðàÿ ðàñøèðÿåòñÿ áîëüøå, îêàçûâàåòñÿ âñåãäà ñ âûïóêëîé ñòîðîíû (ðèñ. 9.9). Ýòî ñâîéñòâî áèìåòàëëè÷åñêèõ ïëàñòèíîê øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ äëÿ èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðû è åå ðåãóëèðîâàíèÿ.
Òåðìîðåãóëÿòîð
Íà ðèñóíêå 9.10 ñõåìàòè÷åñêè èçîáðàæåíî óñòðîéñòâî îäíîãî èç òèïîâ ðåãóëÿòîðîâ òåìïåðàòóðû. Áèìåòàëëè÷åñêàÿ äóãà 1 ïðè èçìåíåíèè òåìïåðàòóðû èçìåíÿåò ñâîþ êðèâèçíó. Ê åå ñâîáîäíîìó êîíöó ïðèêðåïëåíà ìåòàëëè÷åñêàÿ ïëàñòèíêà 2, êîòîðàÿ ïðè ðàñêðó÷èâàíèè äóãè ïðèêàñàåòñÿ ê êîíòàêòó 3, à ïðè çàêðó÷èâàíèè îòõîäèò îò íåãî. Åñëè, íàïðèìåð, êîíòàêò 3 è ïëàñòèíêà 2 ïðèñîåäèíåíû ê êîíöàì 4, 5 ýëåêòðè÷åñêîé öåïè, ñîäåðæàùåé íàãðåâàòåëüíûé ïðèáîð, òî ïðè ñîïðèêîñíîâåíèè êîíòàêòà è ïëàñòèíêè ýëåêòðè÷åñêàÿ öåïü çàìêíåòñÿ: ïðèáîð íà÷íåò íàãðåâàòü ïîìåùåíèå. Áèìåòàëëè÷åñêàÿ äóãà 1 ïðè íàãðåâàíèè íà÷íåò çàêðó÷èâàòüñÿ è ïðè îïðåäåëåííîé òåìïåðàòóðå îòñîåäèíèò ïëàñòèíêó 2 îò êîíòàêòà 3: öåïü ðàçîðâåòñÿ, íàãðåâàíèå ïðåêðàòèòñÿ. Ïðè îõëàæäåíèè äóãà 1, ðàñêðó÷èâàÿñü, ñíîâà çàñòàâèò âêëþ÷èòüñÿ íàãðåâàòåëüíûé ïðèáîð. Òàêèì îáðàçîì, òåìïåðàòóðà ïîìåùåíèÿ áóäåò ïîääåðæèâàòüñÿ íà äàííîì óðîâíå. Ïîäîáíûé òåðìîðåãóëÿòîð óñòàíàâëèâàþò â èíêóáàòîðàõ, ãäå òðåáóåòñÿ ïîääåðæèâàòü òåìïåðàòóðó ïîñòîÿííîé.  áûòó òåðìîðåãóëÿòîðû óñòàíîâëåíû â õîëîäèëüíèêàõ, ýëåêòðîóòþãàõ è ò. ä. Îáîä (áàíäàæ) êîëåñà æåëåçíîäîðîæíîãî âàãîíà èçãîòàâëèâàþò èç ñòàëè, îñòàëüíóþ ÷àñòü êîëåñà äåëàþò èç áîëåå äåøåâîãî ìåòàëëà — ÷óãóíà. Áàíäàæè íà êîëåñà íàäåâàþò â íàãðåòîì ñîñòîÿíèè. Ïîñëå îõëàæäåíèÿ îíè ñæèìàþòñÿ è ïîýòîìó äåðæàòñÿ ïðî÷íî. Òàêæå â íàãðåòîì ñîñòîÿíèè íàäåâàþò øêèâû, ïîäøèïíèêè íà âàëû, æåëåçíûå îáðó÷è íà äåðåâÿííûå áî÷êè è ò. ä. Ñâîéñòâî æèäêîñòåé ðàñøèðÿòüñÿ ïðè íàãðåâàíèè è ñæèìàòüñÿ ïðè îõëàæäåíèè èñïîëüçóåòñÿ â ïðèáîðàõ, ñëóæàùèõ äëÿ èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðû — òåðìîìåòðàõ.  êà÷åñòâå æèäêîñòåé äëÿ èçãîòîâëåíèÿ òåðìîìåòðîâ ïðèìåíÿþò ðòóòü, ñïèðò è äð.
|
|
|