Калькулятор теплового розширення

Введіть свої значення. Відповідь і повний розв’язок оновлюються під час введення.

Результат

Зміна довжини12,6 mm
Кінцева довжина30,0126 m
Температурна деформація αΔT0,00042
Температурне напруження при повному закріпленні84 MPa
Тип напруженнястискальне

Значення α — типові біля кімнатної температури; точне значення залежить від сплаву чи марки.

Дізнайтеся, наскільки деталь збільшується чи зменшується при зміні температури. Оберіть лінійне розширення для довжин, наприклад рейок, труб і плит мостів, або об’ємне для об’ємів, виберіть матеріал чи введіть власний коефіцієнт і отримайте зміну, кінцевий розмір та, для стрижня, що не може рухатися, температурне напруження σ = E·α·ΔT.

Покроковий розв’язок

Коефіцієнт лінійного розширення

α = 12 × 10⁻⁶/K = 1,2 × 10⁻⁵ 1/K

Зміна температури

ΔT = 45 − 10 = 35 K

Зміна довжини

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

Температурне напруження, якщо кінці не можуть рухатися

σ = E·α·ΔT = 200000 MPa·(1,2 × 10⁻⁵)·35 = 84 MPa
Стрижень прагне стати довшим, але не може, тому його стискає.

Основні формули

Температурна деформація
εT = α·ΔT
Деформація
ε = ΔL/L

Як обчислити теплове розширення

  1. Знайдіть зміну температури ΔT = T₂ − T₁. Зміна на 1 °C дорівнює зміні на 1 K.
  2. Знайдіть коефіцієнт лінійного розширення α матеріалу, наприклад приблизно 12 × 10⁻⁶/K для сталі та 23 × 10⁻⁶/K для алюмінію.
  3. Зміна довжини: ΔL = α·L₀·ΔT, де L₀ і ΔL в одній і тій самій одиниці.
  4. Зміна об’єму: ΔV = β·V₀·ΔT, де β ≈ 3α для твердого тіла.
  5. Якщо кінці закріплені, стрижень не може розширитися, і замість цього виникає напруження σ = E·α·ΔT: стискальне при нагріванні, розтягувальне при охолодженні.

Запитання й відповіді

Чому β приблизно дорівнює 3α?

Куб зі стороною L стає L(1 + αΔT) в кожному напрямку, тож його об’єм стає V(1 + αΔT)³ ≈ V(1 + 3αΔT), бо αΔT дуже мале. Це справедливо для ізотропних твердих тіл; рідини й гази мають власний коефіцієнт об’ємного розширення.

Звідки беруться значення α?

Це типові значення біля кімнатної температури зі стандартних таблиць, усі × 10⁻⁶/K: конструкційна сталь 12, нержавіюча сталь 17,3, алюміній 23, мідь 17, латунь 19, бетон 12, натрій-кальцієве скло 9 і ПВХ 52. Реальні значення залежать від сплаву, марки чи складу й повільно змінюються з температурою, тому користуйтеся значенням, яке дає ваш курс чи технічний паспорт.

В яких одиницях вводити довжину?

Вводьте L₀ у метрах; ΔL подається в міліметрах, бо зміна зазвичай мала. Сама формула працює в будь-яких одиницях, якщо L₀ і ΔL використовують одну й ту саму.

Чому напруження при закріпленні не залежить від довжини?

Напруження залежить від деформації, якій стрижень не дають виникнути, αΔT, а вона не залежить від довжини. Повністю закріплена сталева рейка довжиною 1 m чи 100 m досягає того самого σ = E·α·ΔT = 84 MPa при підвищенні на 35 K.

Чи отвір збільшується, чи зменшується при нагріванні пластини?

Збільшується, на ту саму частку, що й навколишній матеріал, так, ніби отвір заповнено тим самим матеріалом. Тому нагрітий обруч легше надіти на вал.

Потренуйтеся самі

Тренувати тему «Осьове напруження й деформація»

Калькулятор дає відповідь. На іспиті потрібен метод: тренуйте його на нових задачах із підказками й розв’язками.

</> Вбудувати

Безкоштовно для викладачів і шкіл: вставте цей код на сторінку курсу, у LMS або на свій сайт. Студенти можуть користуватися калькулятором і покроковим розв’язком без акаунта.

Інші калькулятори