معامل التمدد الحراري
معامل التمدد الحراري
يصف معامل التمدد الحراري (CTE) الدرجة التي يتغير بها حجم المادة مع درجة الحرارة. ويتم التعبير عنه عادةً بوحدات لكل درجة مئوية (°س مئوية-¹) أو لكل كلفن (K-¹). في حين أن التمثيل الرياضي الدقيق ل CTE يتضمن معادلات فإن المفهوم يدور حول التغيرات الخطية أو المساحية أو الحجمية التي تمر بها المادة مع تغير درجة الحرارة.
العوامل المؤثرة على التمدد الحراري
تؤثر عدة عوامل على معامل التمدد الحراري في المواد:
تركيب المادة
المواد المختلفة لها بطبيعتها معاملات تمدد حراري مختلفة. تستجيب كل من المعادنوالسيراميك والبوليمرات والمركبات بشكل فريد للتغيرات في درجات الحرارة بناءً على بنيتها الذرية والجزيئية.
نطاق درجة الحرارة
يمكن أن تختلف CTE مع درجة الحرارة. تُظهر بعض المواد تمددًا خطيًا على نطاقات درجات حرارة معينة، بينما قد يكون لبعض المواد الأخرى سلوكيات غير خطية في درجات حرارة أعلى أو أقل.
تباين الخواص الهيكلية
يمكن أن تتمددالمواد متباينة الخواص التي لها خصائص تعتمد على الاتجاه، بشكل مختلف على طول محاور مختلفة. وهذا مهم بشكل خاص في مواد مثل الخشب أو بعض البلورات.
الضغوط الخارجية
يمكن أن تؤثر الضغوط الموجودة مسبقاً داخل المادة على كيفية تمددها أو انكماشها عند تغير درجة الحرارة. يمكن للضغوطات المتبقية من عمليات التصنيع تغيير CTE الفعال.
العوامل البيئية
يمكن أن يؤثر التعرض لبيئات مختلفة، مثل الرطوبة أو التعرض للمواد الكيميائية، على خصائص التمدد الحراري للمواد بمرور الوقت.
التمدد الحراري للمواد الشائعة
يقدم الجدول أدناه أمثلة على مواد مختلفة ومعاملات التمدد الحراري الخاصة بكل منها:
|
المواد |
معامل التمدد الحراري (درجة مئوية-¹) |
|
23 ×10-⁶ |
|
|
الفولاذ |
12 ×10-⁶ |
|
زجاج |
9 ×10-⁶ |
|
خرسانة |
10 ×10-⁶ |
|
نحاس |
16.5 × 10-⁶ |
|
نحاس |
19 ×10-⁶ |
|
8.6 × 10-⁶ |
|
|
بولي إيثيلين |
100 ×10-⁶ |
|
ألياف الكربون |
0.5 × 10-⁶ |
|
إنفار (سبيكة) |
1.2 × 10-⁶ |
التمدد الحراري للمعادن الشائعة
|
المعادن |
التمدد الحراري (10 ×10-⁶ / درجة مئوية) |
|
الألومنيوم |
23.1 |
|
النحاس الأصفر |
19-21 |
|
البرونز (الفوسفور) |
17.6 |
|
نحاس |
16.5 |
|
ذهب |
14.2 |
|
حديد |
11.8 |
|
الرصاص |
28.9 |
|
المغنيسيوم |
25.2 |
|
نيكل |
13.3 |
|
8.8 |
|
|
الفضة |
19.5 |
|
فولاذ مقاوم للصدأ (304) |
16.0 |
|
فولاذ مقاوم للصدأ (316) |
15.9 |
|
فولاذ (كربون) |
11.7-13.0 |
|
صفيح |
22.0 |
|
التيتانيوم |
8.6-9.4 |
|
4.5 |
|
|
الزنك |
30.2 |
|
الزركونيوم |
5.7 |
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. فهو يضمن سلامة المواد المستخدمة في مختلف التطبيقات وطول عمرها الافتراضي.
كيف يؤثر معامل التمدد الحراري على الأشياء اليومية؟
تتمدد الأجسام اليومية مثل الجسور والسكك الحديدية والمباني وتتقلص مع تغيرات درجة الحرارة. ويساعد فهم معامل التمدد الحراري CTE في تصميم فواصل التمدد وغيرها من الميزات التي تستوعب هذه الحركات، مما يمنع حدوث أضرار هيكلية.
هل يمكن أن يكون معامل التمدد الحراري سالباً؟
نعم، تُظهر بعض المواد تمددًا حراريًا سالبًا، مما يعني أنها تتقلص عند تسخينها. هذه المواد نادرة نسبيًا وهي ذات أهمية للتطبيقات المتخصصة حيث يكون الانكماش المتحكم به مرغوبًا فيه.
كيف يتم قياس معامل التمدد الحراري؟
عادةً ما يتم قياس معامل التمدد الحراري CTE باستخدام تقنيات مثل قياس التمدد، حيث يتم مراقبة التغير في طول أو حجم المادة أثناء تسخينها أو تبريدها في ظروف محكومة.
هل يختلف معامل التمدد الحراري باختلاف نقاء المادة؟
نعم، يمكن أن تؤثر الشوائب وعناصر السبائك بشكل كبير على معامل التمدد الحراري للمادة. وغالبًا ما يكون للمواد النقية خصائص تمدد مختلفة مقارنةً بنظيراتها المخلوطة.
Chin Trento
