Калькулятор теплового расширения

Введите свои значения. Ответ и полное решение обновляются по мере ввода.

Результат

Изменение длины12,6 mm
Конечная длина30,0126 m
Температурная деформация αΔT0,00042
Температурное напряжение при полном закреплении84 MPa
Тип напряжениясжимающее

Значения α типичны для температуры около комнатной; точное значение зависит от сплава или марки.

Узнайте, насколько деталь удлиняется или сжимается при изменении температуры. Выберите линейное расширение для длин, например рельсов, труб и плит мостов, или объёмное расширение для объёмов, выберите материал или введите собственный коэффициент и получите изменение, конечный размер и, для стержня, который не может перемещаться, температурное напряжение σ = E·α·ΔT.

Пошаговое решение

Коэффициент линейного расширения

α = 12 × 10⁻⁶/K = 1,2 × 10⁻⁵ 1/K

Изменение температуры

ΔT = 45 − 10 = 35 K

Изменение длины

ΔL = α·L₀·ΔT = (1,2 × 10⁻⁵)·30·35 = 0,0126 m = 12,6 mm
L = L₀ + ΔL = 30,0126 m

Температурное напряжение, если концы не могут перемещаться

σ = E·α·ΔT = 200000 MPa·(1,2 × 10⁻⁵)·35 = 84 MPa
Стержень стремится удлиниться, но не может, поэтому он оказывается сжатым.

Основные формулы

Температурная деформация
εT = α·ΔT
Деформация
ε = ΔL/L

Как вычислить тепловое расширение

  1. Найдите изменение температуры ΔT = T₂ − T₁. Изменение на 1 °C равно изменению на 1 K.
  2. Найдите коэффициент линейного расширения α материала, например около 12 × 10⁻⁶/K для стали и 23 × 10⁻⁶/K для алюминия.
  3. Изменение длины: ΔL = α·L₀·ΔT, где L₀ и ΔL в одной и той же единице.
  4. Изменение объёма: ΔV = β·V₀·ΔT, где β ≈ 3α для твёрдого тела.
  5. Если концы закреплены, стержень не может расширяться, и вместо этого возникает напряжение σ = E·α·ΔT: сжимающее при нагреве и растягивающее при охлаждении.

Вопросы и ответы

Почему β примерно равно 3α?

Куб со стороной L становится L(1 + αΔT) в каждом направлении, поэтому его объём становится V(1 + αΔT)³ ≈ V(1 + 3αΔT), так как αΔT очень мало. Это верно для изотропных твёрдых тел; у жидкостей и газов свой коэффициент объёмного расширения.

Откуда берутся значения α?

Это типичные значения около комнатной температуры из стандартных таблиц, все в × 10⁻⁶/K: конструкционная сталь 12, нержавеющая сталь 17,3, алюминий 23, медь 17, латунь 19, бетон 12, натрий-кальциевое стекло 9 и ПВХ 52. Реальные значения зависят от сплава, марки или состава и медленно меняются с температурой, поэтому используйте значение из вашего курса или справочного листа.

В каких единицах вводить длину?

Вводите L₀ в метрах; ΔL выдаётся в миллиметрах, так как изменение обычно мало. Сама формула работает в любых единицах, если L₀ и ΔL выражены в одной и той же.

Почему напряжение при закреплении не зависит от длины?

Напряжение зависит от деформации, которой стержню не дают развиться, αΔT, а она не зависит от длины. Полностью закреплённый стальной рельс длиной 1 м или 100 м достигает одного и того же σ = E·α·ΔT = 84 MPa при повышении температуры на 35 K.

Отверстие в нагреваемой пластине увеличивается или уменьшается?

Увеличивается, на ту же долю, что и окружающий материал, как если бы отверстие было заполнено тем же материалом. Поэтому нагретое кольцо легче надеть на вал.

Потренируйтесь самостоятельно

Тренировать тему «Осевое напряжение и деформация»

Калькулятор даёт ответ. На экзамене нужен метод: отработайте его на новых задачах с подсказками и разобранными решениями.

</> Встроить

Бесплатно для преподавателей и школ: вставьте этот код на страницу курса, в LMS или на свой сайт. Студенты могут пользоваться калькулятором и пошаговым решением без аккаунта.

Другие калькуляторы