(Unul din motivele izolării coloanelor instalațiilor din industria chimică este dilatarea termică asimetrică. În timpul zilei, soarele încălzește mai puternic o anumită zonă a coloanelor pe care razele dolare cad direct. Ca urmare, acea zonă se dilată mai mult, rezultând o ”înconvoiere” a coloanelor spre partea mai rece, și deci un dezechilibru de la orizontalitate a componentelor interne sensibile ale coloanelor (talere de schimb izotopic, etc.), scăzând eficiența proceselor chimice.)
Dilatarea termică este tendința ca materia să se schimbe în formă, suprafață și volum ca răspuns la o schimbare a temperaturii.
Temperatura este o funcție monotonă a energiei cinetice medii moleculare a unei substanțe. Atunci când o substanță este încălzită, energia cinetică a moleculelor sale crește. Astfel, moleculele încep să vibreze/se deplasează mai mult și, de obicei, mențin o separare medie mai mare. Materialele care se contractează cu creșterea temperaturii sunt neobișnuite; acest efect este limitat în mărime și are loc numai în intervale de temperatură limitate. Expansiunea relativă (denumită și tensiune) împărțită la schimbarea temperaturii se numește coeficientul de expansiune termică a materialului și, în general, variază în funcție de temperatură.
Prezentare generală
Prezicerea dilatării
Dacă este disponibilă o ecuație de stare, aceasta poate fi utilizată pentru a prezice valorile dilatării termice pentru toate temperaturile și presiunile necesare, împreună cu multe alte funcții de stare.
Efecte de contracție (dilatare termică negativă)
Un anumit număr de materiale sunt contractate la încălzire în anumite intervale de temperatură; aceasta se numește de obicei dilatare termică negativă, mai degrabă decât „contracție termică”. De exemplu, coeficientul de dilatare termică a apei scade la zero, când este răcită la 3,983 °C, și apoi devine negativ sub această temperatură; acest lucru înseamnă că apa are o densitate maximă la această temperatură și acest lucru duce la volume de apă menținând această temperatură la adâncimi mai mici în perioadele prelungite de vreme sub zero grade. De asemenea, siliciul destul de pur are un coeficient negativ de dilatare termică pentru temperaturi cuprinse între circa 18 și 120 grade Kelvin.
Factorii care afectează dilatarea termică
Spre deosebire de gaze sau lichide, materialele solide tind să-și păstreze forma atunci când se află în dilatare termică.
Dilatarea termică scade, în general, odată cu creșterea energiei de legare, care are de asemenea un efect asupra punctului de topire al substanțelor solide, astfel că materialele cu punct de topire ridicat au o probabilitate mai mare de dilatare termică. În general, lichidele se dilată puțin mai mult decât solidele. Dilatarea termică a sticlei este mai mare comparativ cu cea a cristalelor. La temperatura de tranziție a sticlei, rearanjările care apar într-un material amorf duc la discontinuități caracteristice ale coeficientului de dilatare termică și căldurii specifice. Aceste discontinuități permit detectarea temperaturii de tranziție a sticlei când un lichid suprarăcit se transformă într-o sticlă.
Absorbția sau desorbția apei (sau a altor solvenți) poate schimba dimensiunea multor materiale obișnuite; multe materiale organice își modifică dimensiunea mult mai mult datorită acestui efect decât datorită dilatării termice. Materialele plastice obișnuite expuse la apă pot, pe termen lung, să se extindă cu multe procente.
Coeficientul de dilatare termică
Coeficientul de dilatare termică (Y) descrie modul în care dimensiunea unui obiect se schimbă odată cu schimbarea temperaturii. În mod specific, acesta măsoară modificarea fracționată a mărimii pe un grad de schimbare a temperaturii la o presiune constantă. Au fost dezvoltate mai multe tipuri de coeficienți: volumetric, de suprafață și liniar. Alegerea coeficientului depinde de aplicarea particulară și de dimensiunile considerate importante. Pentru substanțele solide, s-ar putea să fie importantă numai schimbarea de-a lungul unei lungimi sau peste o anumită suprafață.
Coeficientul de dilatare termică volumetrică este coeficientul de dilatare termică cel mai de bază și cel mai relevant pentru fluide. În general, substanțele se dilată sau se contractă atunci când temperatura lor se schimbă, cu dilatare sau contracție care apar în toate direcțiile. Substanțele care se dilată la aceeași rată în orice direcție sunt numite izotropice. Pentru materiale izotropice, suprafața și coeficientul de dilatare termică volumetrică sunt, respectiv, de aproximativ două ori și trei ori mai mari decât coeficientul de dilatare termică liniară.
Coeficientul general de dilatare termică volumetrică
În cazul general al unui gaz, lichid sau solid, coeficientul volumetric de dilatare termică este dat de
αV = (1/V)(∂V/∂T)p
Indicele p indică faptul că presiunea este menținută constantă în timpul expansiunii, iar subscriptul V subliniază faptul că aceasta este expansiunea volumetrică (nu liniară) care intră în această definiție generală. În cazul unui gaz, faptul că presiunea este menținută constantă este importantă, deoarece volumul unui gaz va varia semnificativ în funcție de presiune și de temperatură. Pentru un gaz de densitate scăzută, acest lucru se poate vedea din legea ideală a gazelor.
Dilatarea în solide
(Îmbinare de dilatare într-o punte rutieră utilizată pentru a evita deteriorarea datorită dilatării termice.)
La calculul dilatării termice este necesar să se ia în considerare dacă corpul este liber să se dilate sau este constrâns. Dacă corpul este liber să se dilate, dilatarea sau tensiunea rezultată din creșterea temperaturii poate fi calculată pur și simplu prin utilizarea coeficientului de dilatare termică aplicabil.
Dacă corpul este constrâns, astfel încât să nu se poată dilata, atunci stresul intern va fi cauzat (sau schimbat) de o schimbare a temperaturii. Acest stres poate fi calculat luând în considerare stresul care s-ar produce dacă corpul ar putea să se dilate și stresul necesar pentru a reduce această tensiune la zero, prin relația de stres/tensiune caracterizată prin modulul elastic sau modulul lui Young. În cazul special al materialelor solide, presiunea ambientală exterioară nu afectează în mod obișnuit dimensiunea unui obiect și deci nu este de obicei necesar să se ia în considerare efectul schimbărilor de presiune.
Solidele comune în inginerie au, de obicei, coeficienți de dilatare termică care nu variază semnificativ în funcție de gama de temperaturi în care sunt proiectate să fie utilizate, deci acolo unde nu este necesară o precizie extrem de ridicată, calculele practice pot fi bazate pe o valoare constantă medie a coeficientului de dilatare.
Dilatarea izobară în gaze
Pentru un gaz ideal, dilatarea termică volumetrică (adică schimbarea relativă a volumului datorită schimbării temperaturii) depinde de tipul de proces în care temperatura este schimbată. Două cazuri simple sunt situațiile în care presiunea este menținută constantă (proces izobar) sau când volumul este menținut constant (procesul izocor).
Derivata legii ideale a gazului, PV = T, este
PdV + VdP = dT
unde P este presiunea, V este volumul specific și T este temperatura măsurată în unități energetice.
Dilatarea în lichide
Teoretic, coeficientul de dilatare liniară poate fi găsit din coeficientul de dilatare volumetrică (αV ≈ 3α). Pentru lichide, α se calculează prin determinarea experimentală a lui αV. Lichidele, spre deosebire de substanțele solide, nu au o formă precisă și ele iau forma recipientului. În consecință, lichidele nu au o lungime și o zonă precisă, astfel încât extinderea liniară și complexă a lichidelor nu are nicio importanță.
Lichidele în general se dilată la încălzire. Totuși, apa este o excepție de la acest comportament general: sub 4 °C se contractă la încălzire. Pentru temperaturi mai mari, aceasta indică dilatarea termică pozitivă normală. Dilatarea termică a lichidului este de obicei mai mare decât în cazul solidelor din cauza forțelor intermoleculare slabe prezente în lichide.
Dilatarea termică a solidelor arată de obicei o mică dependență de temperatură (cu excepția temperaturilor scăzute), în timp ce lichidele se extind la diferite viteze la temperaturi diferite.
Lasă un răspuns