معامل التمدد الحراري

معامل التمدد الحراري

يقيس معامل التمدد الحراري حجم التغير في الحجم الذي يحدث في المادة كدالة لدرجة الحرارة. ويقيس التغير في الأبعاد لكل درجة من درجات الحرارة، وعادةً ما يتم تسجيله لكل درجة مئوية (°س مئوية-¹) أو لكل كلفن (K-¹)، وهو خاصية رئيسية للمادة تُستخدم في التنبؤ باستجابة المادة في البيئات الساخنة والمبردة. على الرغم من وجود وسيلة رياضية يمكن من خلالها وصف CTE، فإن المبدأ الأساسي واضح ومباشر إلى حد ما: تتمدد المواد مع التسخين وتنكمش عند التبريد؛ ومع ذلك، تعتمد درجة التمدد على التركيب الذري ونوع الترابط والبنية المجهرية.

العوامل المؤثرة على التمدد الحراري

1. تركيب المواد

تختلف استجابات التمدد الحراري لفئات المواد باختلاف الترابط فيما بينها، وذلك اعتمادًا على الترابط بينها.

• المعادن: عادةً ما تقدم قيم تمدد حراري حراري أعلى نظرًا لأن الذرات في الروابط المعدنية يمكن أن تهتز بحرية أكبر (على سبيل المثال، الألومنيوم ≈ 23 × 10-⁶ درجة مئوية-¹).
• السيراميك: نظرًا للترابط الأيوني/التساهمي الصلب، فإنّها تتمتّع بـ CTE منخفضة. على سبيل المثال، تحتوي السيليكا المنصهرة، على سبيل المثال، على CTE ≈ 0.5 × 10- ⁶ ⁶ درجة مئوية ¹.
• البوليمرات: غالبًا ما تحتوي على قيم غير خطية عالية جدًا من CTE، مثل البولي إيثيلين ≈ 100 × 10- ⁶ درجة مئوية-¹.

• المواد المركبة: تعتمد CTE الخاصة بها على تركيبة الألياف/المصفوفة؛ يمكن لمركبات ألياف الكربون أن تحقق تمددًا حراريًا يقترب من الصفر.

2. نطاق درجة الحرارة

ليس بالضرورة أن يكون CTE ثابتاً. تظهر العديد من المواد:

- سلوك خطي ضمن نطاق درجة حرارة معتدلة

- تمدد غير خطي حول التحولات الطورية أو درجات الحرارة العالية

فالفولاذ، على سبيل المثال، لديه CTE خطي تقريبًا في نطاق 20-100 درجة مئوية ولكن معدلات تمدده تزداد كلما ارتفعت درجة الحرارة مع زيادة القرب من نقطة إعادة التبلور.

3. تباين الخواص الهيكلية

إذا كانت المادة متباينة الخواص التركيبية، فإنها ستخضع لتمدد غير متساوٍ على طول محاور مختلفة.

- فالخشب يتمدد بشكل كبير عبر الحبيبات ولكنه يتمدد قليلاً جداً على طول الحبيبات.

4. الإجهاد الخارجي والإجهاد المتبقي

يمكن إدخال الإجهادات الداخلية عن طريق عمليات التصنيع مثل اللحام والتشغيل الآلي والشغل على البارد. قد تعزز هذه الإجهادات سلوك التمدد الطبيعي أو تعارضه وتغيّر CTE الفعال وفقاً لذلك.

5. التعرض البيئي

يمكن أن يختلف CTE بمهارة مع مرور الوقت بسبب الرطوبة الممتصة والأكسدة والتفاعلات الكيميائية الأخرى. في الواقع، تمتص العديد من البوليمرات الرطوبة وتنتفخ مما يؤثر على خصائص التمدد الحراري.

أنواع التمدد الحراري

بشكل عام، هناك ثلاثة أنواع من التمدد الحراري، اعتمادًا على التغير في الأبعاد التي يتم وصفها.

1. التمدد الحراري الخطي

هذا هو التغير في طول المادة مع درجة الحرارة.

يتم تقييم معظم المواد الهندسية - المعادن والبوليمرات والمكونات الإنشائية - من حيث التمدد الحراري الخطي.

يتمدّد قضيب ألومنيوم طوله متر واحد ≈ 23 × 10 ⁶ درجة مئوية¹ حوالي 23 ميكرومترًا إذا تم تسخينه بمقدار درجة مئوية واحدة.

2. التمدد الحراري المساحي (ثنائي الأبعاد)

تتطلب بعض التطبيقات - الأغشية والطلاءات والأغشية - فهم كيفية تمدد مساحة السطح.

بالنسبة للمادة متساوية الخواص فإن تمدد المساحة يساوي تقريبًا ضعف التمدد الحراري الخطي CTE.

ستخضع الألواح المعدنية للمبادل الحراري لتمدد ثنائي الأبعاد، مما قد يؤثر على الختم/التحميل المسبق للحشية.

3. التمدد الحراري الحجمي

يصف التمدد ثلاثي الأبعاد في الحجم. يستخدم للسوائل والسيراميك والمكونات المصبوبة.

تميّز التغيّرات الحجمية الكبيرة البوليمرات وكذلك مركّبات مصفوفة البوليمرات، مما يؤثر على تصميم القوالب أثناء تصنيع البلاستيك.

تطبيقات هندسة التمدد الحراري

1. الهندسة الإنشائية والمدنية

تعتمد الهياكل الكبيرة على عامل تصميم حاسم: التمدد الحراري.

- فوصلات التمدد في الجسور مصممة لامتصاص هذه الإزاحات التي تبلغ عدة سنتيمترات بالنسبة للتغيرات الموسمية في درجات الحرارة.

- يتم تباعد الأرصفة الخرسانية مع وجود فجوات تمدد لتجنب التمدد أثناء حرارة الصيف.

- يمكن أن تختلف ناطحات السحاب بعدة مليمترات إلى سنتيمترات في ارتفاعها بسبب الدورات الحرارية اليومية.

2. الطائرات والمركبات الفضائية

عادة ما تتعرض الطائرات والمركبات الفضائية لتدرجات حرارية شديدة:

• تعمل شفرات توربينات المحركات النفاثة في درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية ويجب أن تستخدم سبائك فائقة أساسها النيكل مع التحكم في درجة حرارة CTE بإحكام من أجل منع التشقق.
• وعادةً ما تُصنع المكونات البصرية للأقمار الصناعية من سبائك منخفضة التمدد، مثل Invar، أو من مواد خزفية للحفاظ على ثبات الأبعاد في المدار.

3. الإلكترونيات وأشباه الموصلات

عدم تطابق CTE بين المكونات هو مصدر محتمل لإجهاد اللحام وفشل الجهاز:

- تُستخدم مركبات الألياف الزجاجية المصممة هندسيًا لمطابقة تمدد النحاس في لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) لتحسين الموثوقية.

4. الطاقة والآلات الصناعية

يؤثر التمدد الحراري:

تشمل الأمثلة المبادلات الحرارية والغلايات، حيث تتمدد الأنابيب المعدنية أثناء دورات التنشيط.

علب التوربينات - الخلوص المتحكم فيه

خطوط أنابيب الغاز المصممة للانثناء مع الفصول

5. البصريات الدقيقة والأجهزة العلمية

تشمل مواد التمدد المنخفض للغاية زجاج ULE والسيليكا المنصهرة، والتي تُستخدم في المقاعد البصرية والتلسكوبات وأنظمة القياس حيث تكون الدقة مطلوبة حتى مقاييس النانومتر.

التمدد الحراري للمواد الشائعة

يقدم الجدول أدناه أمثلة لمختلف المواد ومعاملات التمدد الحراري لكل منها:

التمدد الحراري للمعادن الشائعة

الأسئلة المتداولة

ما أهمية معامل التمدد الحراري في الهندسة؟

يعد معامل التمدد الحراري أمرًا بالغ الأهمية في الهندسة لتصميم الهياكل والمكونات التي يمكنها تحمل التغيرات في درجات الحرارة دون التعرض لإجهاد أو تشوه مفرط. وهو يضمن سلامة المواد المستخدمة في مختلف التطبيقات وطول عمرها الافتراضي.

كيف يتم قياس CTE؟

يتم قياسه عادةً عن طريق قياس التمدد، حيث يتم تسجيل التغير في الأبعاد بشكل مستمر تحت التسخين أو التبريد المتحكم فيه.

هل تؤثر النقاوة على CTE؟

نعم. قد تتسبب إضافات السبائك والشوائب ومحتويات العيوب في حدوث تغييرات كبيرة في CTEs. ومن الأمثلة على ذلك سبائك Invar حيث تعمل إضافة النيكل على ضبط التمدد الحراري بدقة.