Все вещества (газы, жидкости, твердые тела) имеют атомно-молекулярную структуру. Атом, равно как и молекулы, во всем диапозоне температур находятся в непрерывном хаотическом движении, причем, чем выше температура обьема вещества, тем выше скорость перемещения отдельных атомов и молекул внутри этого обьема (в газах и жидкостях) или их колебания - в кристаллических решетках твердых тел. Поэтому с ростом температуры увеличивается среднее расстояние между атомами и молекулами, в результате чего газы, жидкости и твердые тела расширяются - при условии, что внешнее давление остается постоянным. Коэффиценты расширения различных газов близки между собой (около 0,0037 град в степени "-1"; для жидкостей они могут различаться на порядок (ртуть - 0,00018 град в степени "-1", глицерин - 0,0005 град в степени "-1", ацетон - 0,0014 град в степени "-1", эфир - 0,007 град в степени "-1"). Величина теплового расширения твердых тел определяется их строением. Структуры с плотной упаковкой (алмаз, платина, отдельные металлические сплавы) мало чувствительны к температуре, рыхлая, неплотная упаковка вещества способствует сильному расширению твердых тел (аллюминий, полиэтилен).
3.1.1. При температурном расширении или сжатии твердых тел развиваются огромные силы; это можно использовать в соответствующих технологических процессах.
Например, это свойство использовано в электрическом
домкрате для растяжения арматуры при изготовлении нап
ряженного железобетона. Принцип действия очень прост: к
растягиваемой арматуре прикрепляют стержень из металла
с подходящим коэффициентом термического расширения. За
тем его нагревают, током от сварочного трансформатора,
после чего стержень жестко закрепляют и убирают нагрев.
В результате охлаждения и сокращения линейных размеров
стержня развивается тянущее усилие порядка сотен тонн,
которое растягивает холодную арматуру до необходимой
величины.
Так как в этом домкрате работают молекулярные силы, он практически не может сломаться.
3.1.2. С помощью теплового расширения жидкости можно создать необходимые гидростатические давления.
А.с. н' 471140: Устройство для волочения металлов со
смазкой под давлением, содержащее установленные в кор
пусе рабочую и уплотнительную волоки, образующие между
собой и корпусом камеру (в которой находится смазка).
Ред.(и средства для создания высокого давления, ОТЛИЧА
ЮЩИЕСЯ тем, что с целью упрощения конструкции и повыше
ния производительности средство для создания в камере
высокого давления выполнено ввиде нагревательного эле
мента, расположенного внутри камеры.
3.1.3. Тепловое расширение может просто решить технические задачи, которые обыными средствами расширяются с большим трудом. Напрмер, для того чтобы ступица прочно охватывала вал, первую перед напрессовкой нагревают. После охлаждения надетой на вал ступицы силы термического сжатия делают этот узел практически монолитным. Но как после этого разобрать данное соединение? Механически - почти не возможно без риска испортить деталь. Но достаточно сделать вал из металла коэффицентом термического или, если это невозможно, ввести в сопрягаемое пространство прокладку из металла с меньшим терморасширением, как техническое противоречие исчезает.
Общеизыестные биметаллические пластинки - соединенные каким-либо способом две металлические полоски с различным терморасширением - являются отличным преобразователем тепловой энергии в механическую.
А.с. н 175190: Устройство для учета колличества наливов
металла в изложницу, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что с
целью автоматизации процесса учета,оно выполнено ввиде
корпуса,прикрепленного,к изложнице,в полости,которого
расположено счетное устройство, состоящее из трубки с
шариками и биметаллической пластинки, на конце которой
укреплен отсекатель,пропускающий при нагреве пластинки
шарик,падающий в накопительную емкость.
Использование эффекта различного расширения у различных металлов позволило создать т е п л о в о й д и о д .
А.с 518614: Тепловой диод,содержащий входной и выходной
теплопроводы,имеющие узел теплового контакта о т л и ч
а ю щ и й с я тем,что с целью упрощения конструкции,
узел теплового контакта выполнен по типу "вилка-розет
ка" и вилка выполнена в теле входного, а розетка в теле
выходного теплопроводов.
2.Диод по пункту 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что
входной теплопровод выполнен из материала с высоким ко
эффициентом линейного удлинения,например меди, а выход
ной - из материала с малым коэффициентом линейного уд
линения,например,инвара.
3.1.4. Тепловое расширение,как процесс обратимый и легко управляемый,применяется при проведении весьма филигранных работ, таких,как микроперемещение объектов,например,в поле зрения микроскопа или измерения с помощью тепловых электроизмерительных приборов.
Патент США 3569707 Устройство для измерения импульсного
излучения при помощи теплодатчиков.Энергия,поглащаемая
материалом,на который воздействует импульсное ядерное
излучение,измеряется путем детектирования теплового
расширения этого материала тензодатчиками.
3.2. Фазовые переходы.Агрегатные состояния веществ.
При фазовых переходах первого рода скачком изменяются плотность веществ и энергия тела; очевидно,при фазовых переходах первого рода в с е г д а выделяется или поглощается конечное количество тепловой энергии. При фазовых переходах второго рода плотность и энергия меняются непрерывно, а скачок испытывает такие величины, как теплоемкость,теплопроводность; фазовые переходы второго рода не сопровождаются поглощением или выделением энергии. Примером фазового перехода второго рода может служить переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние,переход форромагнетика в парамагнетик при точке Кюри,переупорядочение кристаллов сплавов и др.
Характерным примером фазового перехода первого рода может служить перход вещества из одного агрегатного состояния в другое.
В физике рассматривают четыре агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное и плазменное.
При переходах из одного агрегатного состояния в другое, как уже отмечено выше, обязательно выделяется или поглощается тепло. Переход от более упорядоченных структур к менее упорядоченным требуют притока тепла извне, при обратных переходах выделяется такое же колличество тепла, которое поглощается при прямом переходе. Отметим, что, как правило, переход из одного агрегатного состояния в другое обычно имеет место при постоянной температурк, таким образом, фазовый переход является источником Э или поглотителем тепла, работающим практически при постоянной температуре.
А.с.н 426030: Способ изолирования катушки индуктивности
в глубинном приборе путем заполнения диэлектриком каме
ры, в которой расположена катушка, отличающийся тем,
что с целью упрощения конструкции прибора и повышения
его эксплуатационной надежности, в качестве диэлектрика
используют вещество, температура плавления которого ни
же минимальной температуры в зоне измерения и выше тем
пературы корпуса прибора перед его спуском и в период
спуска в скважину.
Нередко изменения агрегатного состояния вещества позволяет очень просто решать до этого почти неразрешимые технические задачи. Например, как заполнить послойно емкость смешивающимися между собой жидкостями?
А.с.н 509275: Способ послойного заполнения емкости сме
шивающимися жидкостями путем последовательного анализа
их, отличающийся тем, что с целью упрощения процесса,
первую жидкость налитую в емкость, замораживают, следу
ющую жидкость наливают на верхний слой замороженной
жидкости, а затем последнюю размораживают.
При изменениях агрегатного состояния резко изменяются электрические характеристики вещества. Так,если металл в твердом или жидком виде-проводник,то пары металла-типичный диэлектрик. Это свойство остроумно использовано в патенте США
Прибор для измерения давления жидкого металла содержит
пробоотборную трубку типа трубки Вентури. Через участок
этой пробоотборной трубки пропускается регулируемый
электрический ток. При определенной величине тока, тем
пература взятой пробы жидкого металла возрастает до тех
пор,пока жидкий металл не перейдет в парообразное сос
тояние, в результате чего ток прерывается. Период вре
мени в течение которого через участок пробоотборной
трубки протекает ток,является функцией давления жидкого
металла в системе. Таким образом, период времени при
отборе пробы и подсчете импульсов тока вплоть до момен
та испарения определяется давлением жидкого металла в
системе.
3.2.1. Как отмечалось выше,перекристаллизация металла является фазовым переходом второго рода. В момент перекристаллизации возникает э ф ф е к т с в е р х п л а с т и чн о с т и металла.
