Cách tính hệ số giãn nở nhiệt là gì? 1 số loại giãn nở cơ bản

Khái niệm về hệ số giãn nở nhiệt không còn quá xa lạ với những người làm trong ngành vật liệu. Nhưng cách tính hệ số giãn nở nhiệt ra sao? Có những loại giãn nở nào? Hãy cùng tìm hiểu chi tiết hơn qua bài viết dưới đây.

Hệ số giãn nở nhiệt là gì?

Trước khi tìm hiểu về cách tính hệ số giãn nở nhiệt, bạn cần hiểu rõ về hệ số giãn nở nhiệt. Hệ số này trong khoa học vật liệu chính là một loại đại lượng vật lý đặc trưng cho sự thay đổi kích thước của vật liệu đó khi nhiệt độ thay đổi.

Một số định nghĩa cụ thể cho các hệ số giãn nở nhiệt như: hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính và hệ số giãn nở nhiệt thể tích (hệ số giãn nở nhiệt toàn phần).

Hệ số giãn nở nhiệt toàn phần có thể được đo cho hầu hết mọi vật liệu trong các trạng thái rắn, lỏng, khí khác nhau. Còn hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính thì chỉ đo được cho các vật liệu rắn.

Hầu hết các loại vật liệu khi có áp suất không đổi, thể tích hoặc kích thước của vật liệu sẽ tăng khi nhiệt độ tăng. Nhưng sự giãn nở hoặc co lại của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi phải được chú ý khi:

• Thiết kế các hệ thống lớn liên kết nhiều vật liệu khác nhau
• Dùng thước đo khoảng cách
• Thiết kế hệ thống các hoạt động trong dải nhiệt độ rộng…

Cách tính hệ số giãn nở nhiệt cơ bản

Để có thể tính được chiều dài của thép tăng lên, bạn cần phải biết được nhiệt độ được tăng lên là bao nhiêu độ cùng chiều dài ban đầu của thép. Như các loại vật liệu khác, thép giãn nở sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng.

Mỗi một vật liệu sẽ tương ứng với một mức nhiệt độ khác nhau, đặc tính này chính là hệ số giãn nở nhiệt. Hệ số này sẽ cho biết vật liệu sẽ giãn ra bao nhiêu độ khi nhiệt độ tăng lên.

Và cách tính hệ số giãn nở nhiệt được tính như sau: ∆L/L = αL.∆T

Trong đó:

• L: là biểu thị chiều dài của chi tiết
• ∆T: là biến thiên nhiệt độ
• αL: là hệ số giãn nở nhiệt

Để xác định được nhiệt độ thay đổi của thép thì người ta sẽ sử dụng cao nhiệt. Nếu như nhiệt độ ban đầu là 70 độ, nhiệt độ cuối là 75 độ, tức là nhiệt độ đã tăng lên 5 độ.

Hệ số tuyến tính trong thử nghiệm giãn nở nhiệt

Bất kỳ vật liệu nào bị nung nóng thì có cũng sẽ bắt đầu nở ra dưới tác động của nhiệt độ. Nó gây ra những sự thay đổi đáng kể về kích thước, bị cong vệnh hoặc bị ứng suất ở bên trong.

Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính là một tính chất vật liệu đặc trưng cho khả năng giãn nở của chất dẻo dưới sự tác động của việc tăng nhiệt độ. Hệ số này biểu thị thời gian duy trì ổn định về mặt kích thước trong điều kiện nhiệt độ thay đổi.

Để đo được theo cách tính hệ số giãn nở nhiệt thì cần phải dựa vào những tiêu chuẩn phổ biến được tham chiếu. Tiêu chuẩn đó do Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ (ASTM) phát triển. Cụ thể:

• ASTM D696-16: phương pháp này phù hợp với hệ số giãn nở nhiệt của chất dẻo trong khoảng từ 30 độ khi đo bằng máy đo pha loãng silica thủy tinh.
• ASTM E831-19: phương pháp này áp dụng với giãn nở nhiệt tuyến tính của vật liệu rắn bằng phân tích cơ nhiệt.
• ASTM E228-06: phương pháp áp dụng với giãn nở nhiệt tuyến tính của vật liệu rắn bằng máy đo độ giãn nở dạng thanh đẩy.

Một số loại giãn nở khác

Bên cạnh cách tính hệ số giãn nở nhiệt, cũng có một số loại giãn nở khác cần lưu ý như:

Giãn nở dài

Giãn nở dài tức là sự thay đổi theo chiều dài, khác với giãn nở thể tích. Với phép tính xấp xỉ đầu tiên, sự thay đổi chiều dài này cũng khác nhau. Sự giãn nở này liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ theo một hệ số giãn nở tuyến tính. Đó là sự thay đổi chiều dài tỉ lệ với mức độ thay đổi của nhiệt độ

Giãn nở diện tích

Giãn nở diện tích có liên quan đến sự thay đổi kích thước của vật liệu theo diện tích khi có nhiệt độ tác động vào. Đó chính là sự thay đổi theo tỉ lệ diện tích ở mức độ thay đổi nhiệt độ.

Giãn nở thể tích

Với các loại chất rắn, mọi người có thể bỏ qua ảnh hưởng của áp suất tác động lên vật liệu. Tức là thể tích của vật liệu sẽ thay đổi theo một tỷ lệ nhất định.

Giãn nở đẳng áp chất khí

Giãn nở đẳng áp khí chất tùy thuộc vào quá trình mà nhiệt độ thay đổi. Có hai trường hợp đơn giản, đó là sự thay đổi đẳng áp tức là áp suất không đổi. Và khi thay đổi đoạn nhiệt tức là không có nhiệt trao đổi với môi trường.

Dải lưỡng kim (băng kép)

Đây là một thiết bị cơ đơn giản thường hay được tìm thấy trong những thiết bị thực tế. Chúng gồm cí 2 dải kim loại mỏng được làm bằng các loại vật liệu khác nhau nối với nhau. Khi nhiệt độ của dải tăng lên thì 2 kim loại mở rộng bằng những lượng khác nhau và uốn cong lên.

Đó là cách tính hệ số giãn nở nhiệt cùng một số thông tin cơ bản khác về hệ số giãn nở nhiệt. Hy vọng những thông tin trên sẽ hữu ích cho bạn.