Коэффициент теплового расширения

Коэффициент теплового расширения
Коэффициент теплового расширения
	[math]\displaystyle{ \beta = \frac{1}{V} \left( \frac{dV}{dT}\right)_p }[/math]
Размерность	Θ−1
Единицы измерения
СИ	К−1
СГС	К−1

Коэффицие́нт теплово́го расшире́ния — физическая величина, характеризующая относительное изменение объёма или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К при постоянном давлении. Имеет размерность обратной температуры. Различают коэффициенты объёмного и линейного расширения.

Коэффициент объёмного теплового расширения

[math]\displaystyle{ \beta = \frac{1}{V} \left( \frac{\partial V}{\partial T}\right)_p }[/math], К ⁻¹ (°C⁻¹) — относительное изменение объёма тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1 К при постоянном давлении.

Вода, в зависимости от температуры, имеет различный коэффициент объёмного расширения:

0,53⋅10⁻⁴ К⁻¹ (при температуре 5—10 °C);
1,50⋅10⁻⁴ К⁻¹ (при температуре 10—20 °C);
3,02⋅10⁻⁴ К⁻¹ (при температуре 20—40 °C);
4,58⋅10⁻⁴ К⁻¹ (при температуре 40—60 °C);
5,87⋅10⁻⁴ К⁻¹ (при температуре 60—80 °C).

Коэффициент линейного теплового расширения

[math]\displaystyle{ \alpha_L = \frac{1}{L} \left( \frac{\partial L}{\partial T}\right)_p \approx {\Delta L \over {L \Delta T}} }[/math] , К ⁻¹ (°C⁻¹) — относительное изменение линейных размеров тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1 К при постоянном давлении.

В общем случае, коэффициент линейного теплового расширения может быть различен при измерении вдоль разных направлений. Например, у анизотропных кристаллов, древесины коэффициенты линейного расширения по трём взаимно перпендикулярным осям: [math]\displaystyle{ \alpha_x; \alpha_y; \alpha_z }[/math]. Для изотропных тел [math]\displaystyle{ \alpha_x = \alpha_y = \alpha_z }[/math] и [math]\displaystyle{ \alpha_V = 3\alpha_L }[/math].

Для железа коэффициент линейного расширения равен 11,3×10⁻⁶ K⁻¹^[1].

Для сталей

Таблица значений коэффициента линейного расширения α, 10⁻⁶K⁻¹^[2]

Марка стали	20—100 °C	20—200 °C	20—300 °C	20—400 °C	20—500 °C	20—600 °C	20—700 °C	20—800 °C	20—900 °C	20—1000 °C
08кп	12,5	13,4	14,0	14,5	14,9	15,1	15,3	14,7	12,7	13,8
08	12,5	13,4	14,0	14,5	14,9	15,1	15,3	14,7	12,7	13,8
10кп	12,4	13,2	13,9	14,5	14,9	15,1	15,3	14,7	14,8	12,6
10	11,6	12,6	-	13,0	-	14,6	-	-	-	-
15кп	12,4	13,2	13,9	14,5	14,8	15,1	15,3	14,1	13,2	13,3
15	12,4	13,2	13,9	14,4	14,8	15,1	15,3	14,1	13,2	13,3
20кп	12,3	13,1	13,8	14,3	14,8	15,1	20	-	-	-
20	11,1	12,1	12,7	13,4	13,9	14,5	14,8	-	-	-
25	12,2	13,0	13,7	14,4	14,7	15,0	15,2	12,7	12,4	13,4
30	12,1	12,9	13,6	14,2	14,7	15,0	15,2	-	-	-
35	11,1	11,9	13,0	13,4	14,0	14,4	15,0	-	-	-
40	12,4	12,6	14,5	13,3	13,9	14,6	15,3	-	-	-
45	11,9	12,7	13,4	13,7	14,3	14,9	15,2	-	-	-
50	11,2	12,0	12,9	13,3	13,7	13,9	14,5	13,4	-	-
55	11,0	11,8	12,6	13,4	14,0	14,5	14,8	12,5	13,5	14,4
60	11,1	11,9	-	13,5	14,6	-	-	-	-	-
15К	-	12,0	12,8	13,6	13,8	14,0	-	-	-	-
20К	-	12,0	12,8	13,6	13,8	14,2	-	-	-	-
22	12,6	12,9	13,3	13,9	-	-	-	-	-	-
А12	11,9	12,5	-	13,6	14,2	-	-	-	-	-
16ГС	11,1	12,1	12,9	13,5	13,9	14,1	-	-	-	-
20Х	11,3	11,6	12,5	13,2	13,7	-	-	-	-	-
30Х	12,4	13,0	13,4	13,8	14,2	14,6	14,8	12,0	12,8	13,8
35Х	11,3	12,0	12,9	13,7	14,2	14,6	-	-	-	-
38ХА	11,0	12,0	12,2	12,9	13,5	-	-	-	-	-
40Х	11,8	12,2	13,2	13,7	14,1	14,6	14,8	12,0	-	-
45Х	12,8	13,0	13,7	-	-	-	-	-	-	-
50Х	12,8	13,0	13,7	-	-	-	-	-	-	-

Отрицательный коэффициент теплового расширения

Некоторые материалы при повышении температуры демонстрируют не расширение, а наоборот, сжатие, то есть имеют отрицательный коэффициент теплового расширения. Для некоторых веществ это проявляется на довольно узком температурном интервале, как, например, у воды на интервале температур 0…+3,984 °С, для других веществ и материалов, например фторид скандия(III), вольфрамат циркония (ZrW₂O₈)^[3], некоторых углепластиков интервал весьма широк. Подобное поведение демонстрирует также обычная резина. При сверхнизких температурах аналогичным образом ведут себя кварц, кремний и ряд других материалов. Также существуют инварные сплавы (ферро-никелевые), имеющие в некотором диапазоне температур коэффициент теплового расширения, близкий к нулю.

Измерение коэффициента теплового расширения

Приборы для измерения коэффициента теплового расширения жидкостей, газов и твёрдых тел называют дилатометрами.

Примечания

↑ Температурный коэффициент линейного расширения на портале Ti-temperatures.ru (неопр.). Дата обращения: 31 марта 2011. Архивировано 18 сентября 2011 года.
↑ Зубченко А. С., Колосков М. М., Каширский Ю. В. и др. Марочник сталей и сплавов / под общ. ред. А. С. Зубченко. — 2-е изд., переработанное и дополненное. — М. : Машиностроение, 2003. — С. 585. — 784 с. — ISBN 5-217-03177-8.
↑ Mary, T. A.; J. S. O. Evans; T. Vogt; A. W. Sleight. Negative Thermal Expansion from 0.3 to 1050 Kelvin in ZrW₂O₈ (англ.) // Science : journal. — 1996. — 5 April (vol. 272, no. 5258). — P. 90—92. — doi:10.1126/science.272.5258.90. — Bibcode: 1996Sci...272...90M.

См. также

Ссылки

[1] Температурный коэффициент линейного расширения на портале Ti-temperatures.ru (неопр.). Дата обращения: 31 марта 2011. Архивировано 18 сентября 2011 года.

[2] Зубченко А. С., Колосков М. М., Каширский Ю. В. и др. Марочник сталей и сплавов / под общ. ред. А. С. Зубченко. — 2-е изд., переработанное и дополненное. — М. : Машиностроение, 2003. — С. 585. — 784 с. — ISBN 5-217-03177-8.

[3] Mary, T. A.; J. S. O. Evans; T. Vogt; A. W. Sleight. Negative Thermal Expansion from 0.3 to 1050 Kelvin in ZrW₂O₈ (англ.) // Science : journal. — 1996. — 5 April (vol. 272, no. 5258). — P. 90—92. — doi:10.1126/science.272.5258.90. — Bibcode: 1996Sci...272...90M.

[1]

[2]

[3]