Hőátadás folyamán a molekulákban az atomok közötti kötésben tárolt energia változik.
Ha a tárolt energia nő, az atomok távolsága szintén növekszik. Ennek eredményeképpen a szilárd testek általában tágulnak hőmérsékletnövelés hatására, hűtés következtében pedig összehúzódnak. Néhány anyagnak negatív hőtágulási együtthatója van, ami azt jelenti, hogy hűtés esetén tágulnak (ilyen például a víz 0 és 4 C° között). A hőmérséklet-változásra adott választ a hőtágulási együttható fejezi ki:
A hőtágulási együtthatón (hőtágulási tényezőn) kétféle, rokon fogalmat értenek:
A térfogati hőtágulási együttható szilárd és folyékony anyagokra értelmezik. A lineáris hőtágulási együtthatónak csak szilárd testek esetében van jelentése, ezt gyakran használják a mérnöki számításoknál.
A lineáris hőtágulási együttható a szilárd anyag hőmérséklet-változásra adott hosszméret-változásának a mértéke:
A kifejezést szigorú értelemben véve állandó nyomáson szükséges értelmezni. A hőtágulást figyelembe kell venni nagyméretű szerkezetek (például hidak) vagy magas hőmérsékleten üzemelő gépek (például motorok, gőz- és gázturbinák) tervezésénél, hosszméréseknél (mind a mérőeszköz, mind a mért tárgy tágulást szenved), öntvények tervezésénél és minden olyan mérnöki alkalmazásnál, ahol a hőtágulás szerepet játszhat.
Az alábbi táblázat néhány anyag lineáris fajlagos hőtágulását, a másik táblázat a hőtágulási együtthatókat tartalmazza:
|
|
A fentiek szerint egy 1m (1000 mm) hosszú acélrúd megnyúlása 0 C°-ról 200 C°-ra való hevítés során:
( αacél = 1,2* 10−5 K−1 ez a ferrit-perlites szerkezetű acélra igaz, a vas pl.: αvas = 1,1* 10−5 K−1 )
A térfogati hőtágulási együttható az anyagok termodinamikai tulajdonsága, melyet az alábbi összefüggéssel definiálnak:
ahol a hőmérséklet, a térfogat, a sűrűség, a deriválást állandó nyomás mellett hajtják végre; β pedig a sűrűség változásának mértéke állandó nyomáson, a hőmérsékletváltozás hatására.
Bizonyítás:
ahol a tömeg.
Szigorúan izotróp anyagokra a lineáris hőtágulási együttható jó közelítéssel a térfogati hőtágulási együttható harmadaként vehető számításba, azaz
Igazolás:
Ez a 3-as szorzó abból adódik, hogy a térfogatváltozás három egymásra merőleges hosszméret egyidejű változásából jön létre. Így izotróp anyagnál a térfogatváltozás egyharmad része jut egy-egy irányra (ez igen közel áll a kis differenciák közelítő értékéhez). Megjegyzendő, hogy a térfogat hossz szerinti parciális deriváltja a fenti levezetésben pontos, a gyakorlatban azonban a térfogatváltozás csak kis változások esetén igaz (vagyis a kifejezés nemlineáris). Ahogy a hőmérsékletváltozás nő, és a lineáris hőtágulás ezzel együtt szintén nő, a fenti képlet hibája is egyre nagyobb lesz.
Anizotróp anyagok esetén a térfogati hőtágulás az egyes irányokban nem azonos.
|
|
A hőtágulást használják fel a higanyos hőmérőnél és a bimetál készülékeknél.
Tengelyre szorosan illesztet tárcsát sajtolás helyett úgy is fel lehet szerelni, hogy a tárcsát megfelelő hőmérsékletre melegítik, ekkor a hőtágulás megnöveli a tárcsa furatának átmérőjét, könnyen rá lehet húzni a tengelycsapra, lehűléskor pedig erősen rászorul a tengelyre. Ennek ellenkezője szorosan illesztett gyűrűk leszerelése a gyűrű gyors hevítésével, nagyátmérőjű (100 mm-es és nagyobb) csavarok meglazításához a csavarszár olyan furattal készülhet, melybe elektromos fűtés helyezhető a meglazításhoz.
Léteznek olyan ötvözetek, melyek hőtágulási együtthatója igen kicsi, például az Invar 36 acél hőtágulási együtthatója 0,0000016 1/K. Ezek az ötvözetek rendkívül hasznosak a nagysebességű repülőgépeknél, ahol hirtelen nagy hőingadozások léphetnek fel.
A hőtágulás fontos szerepet játszik a központi fűtési rendszerek tervezésénél. A mérnöki gyakorlatban az alábbi táblázatot használják, mely figyelembe veszi a víz hőmérséklet-függő hőtágulási együtthatóját és a fűtési rendszerek egyéb jellemzőit. A táblázat százalékosan mutatja a víz térfogatváltozását, 10 °C-os betöltési hőmérsékletet figyelembe véve.
Maximális vízhőmérséklet | 40 °C | 50 °C | 60 °C | 70 °C | 80 °C | 90 °C |
Térfogat-növekedés | 0,8% | 1,2% | 1,7% | 2,2% | 2,9% | 3,6% |
Magas hőmérsékletű csővezetékek hőtágulása jelentős lehet, ha nem gondolnak a tervezéskor erre, könnyen tönkremenetelükhöz vezetne. Hogy a csővezeték gátolt hőtágulása ne eredményezzen túlságosan nagy belső erőket és nyomatékokat a csőben magában és a csatlakozási pontjain, csőkompenzátorokat és úgynevezett csőlírákat alkalmaznak. Hasonló célokat szolgál hidaknál a dilatációs szerkezet, mely fésű-szerűen egymásbanyúló fogaival lehetővé teszi a híd egyes részeinek szabad hőtágulását.
Nagy hőmérsékleten üzemelő gépek (gőzturbinák, gázturbinák, rakétamotorok kialakításánál nagy figyelmet szentelnek a hőtágulásra. Különösen komoly problémát jelent a különböző anyagokból készített gépalkatrészek összeillesztése, melyeknek hőtágulási együtthatója is különböző lehet.
This article uses material from the Wikipedia Magyar article Hőtágulási együttható, which is released under the Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 license ("CC BY-SA 3.0"); additional terms may apply (view authors). A lap szövege CC BY-SA 4.0 alatt érhető el, ha nincs külön jelölve. Images, videos and audio are available under their respective licenses.
®Wikipedia is a registered trademark of the Wiki Foundation, Inc. Wiki Magyar (DUHOCTRUNGQUOC.VN) is an independent company and has no affiliation with Wiki Foundation.