جدول المحتويات
التمدد الحراري والكثافة
يمكن أن يؤدي التمدد الحراري للمواد إلى أضرار اقتصادية كبيرة. في صناعة البناء والتشييد، على سبيل المثال، يجب توفير فواصل التمدد لتعويض التغيرات في الطول بسبب
يحدث التمدد في جميع الاتجاهات المكانية، بحيث تتغير الكثافة مع بقاء الكتلة ثابتة. يعتمد تمدد المواد متباينة الخواص على الاتجاه، لذلك يجب تحديد اتجاه التمدد. ولتحديد الكثافة أو معامل التمدد الحجمي، يجب أخذ جميع الاتجاهات المكانية في الاعتبار.
تعريف التمدد الحراري
يُعرف معامل التمدد الحراريα، المعروف أيضًا باسم CTE، بأنه التغير النسبي في الطول عند تغير درجة الحرارة بمقدار كلفن واحد:
α= ∆L/(L0 *∆T)
مع:
∆L: تغير الطول [م]
L0: الطول المبدئي [م]
∆T: التغير في درجة الحرارة [ك]
ينتج عنه وحدة K-1 (“لكل كلفن”) لـ α. وهو يعتمد على درجة الحرارة، وبالتالي يتغير، ولكن في كثير من الأحيان إلى حد ضئيل فقط، اعتماداً على نطاق درجة الحرارة قيد النظر. وعادةً ما تكون رتبته من حيث المقدار 10-6 كلفن-1، ولذلك غالبًا ما يتم إعطاؤه بوحدة “جزء في المليون كلفن-1”.
والمواد ذات معاملات الت مدد المنخفضة، على سبيل المثال، زجاج الكوارتز والمعدن INVAR، والتي لها معامل تمدد أقل من 1 جزء في المليون K-1. تتمتع البوليمرات بأعلى معاملات التمدد (تصل إلى 200 جزء في المليون تقريبًا K-1). اعتمادًا على نطاق درجة الحرارة، تظهر بعض المواد توسعات سلبية.
تحولات الطور
تختلف معاملات التمدد للمراحل المختلفة لنفس المادة. على سبيل المثال، تختلف معاملات تمدد البوليمرات التي تزيد عن درجة حرارة الانتقال الزجاجي أكبر مما دونها.
ومن الأمثلة الأخرى المعروفة جيدًا التحولات الطورية لعنصر الحديد: حتى 906 درجة مئوية، يكون التركيب البلوري المكعب المتمركز حول الجسم مستقرًا (α-الحديد)، ومن 906 درجة مئوية إلى 1401 درجة مئوية يكون التركيب المكعب الأكثر كثافة (β-الحديد) وفوق 1539 درجة مئوية يكون التركيب المكعب المتمركز حول الجسم (δ-الحديد). ونظرًا لأن ملء الفراغ للتعبئة المكعبة الأكثر كثافة (74%) أكبر من التعبئة المكعبة المتمركزة في الجسم (68%)، فهناك قفزات في الكثافة وبالتالي في الطول أيضًا أثناء التحولات الطورية. تُستخدم هذه للكشف عن التحولات الطورية في سبائك الحديد:
قياس معامل التمدد
السوائل
يتم تحديد تمدد السوائل أو كثافتها بشكل عام باستخدام أجهزة قياس التمدد. يتم تسخين حجم ثابت من العينة ويتم تحديد الكتلة. تتمدد السوائل عادةً مع زيادة درجة الحرارة. الاستثناء المعروف هو الماء، الذي تبلغ كثافته القصوى عند 4 درجات مئوية (“شذوذ الماء”).
كما يتم استخدام ما يسمى بطريقة أنبوب U المتذبذب. هنا، يتم حساب الكثافة عن طريق قياس التردد الطبيعي لأنبوب U المتذبذب المملوء بالسائل المراد تحليله.
يمكن أيضًا قياس السوائل باستخدام حاويات سائلة مناسبة على مقياس التمدد بقضيب دفع. يجب توخي الحذر للتأكد من عدم تسرب أي غازات من السائل وأن أي غازات هاربة تغادر الحاوية أيضًا، على الرغم من أن عينة السائل يجب ألا تتسرب.
الحالة الصلبة
عادةً ما يتم قياس المواد الصلبة باستخدام أجهزة قياس التمدد (قضيب الدفع) أو أجهزة التحليل الميكانيكي الحراري (TMA). هنا، توضع العينة في فرن وتلامس بقضيب دفع. يتم نقل التغير في طول العينة إلى حساس بواسطة قضيب الدفع. واعتمادًا على الفرن المستخدم، يمكن تغطية نطاق درجة حرارة يتراوح من -263 إلى +2800 درجة مئوية. اعتمادًا على نطاق درجة الحرارة، يتم استخدام قضبان الدفع المصنوعة من زجاج الكوارتز أو أكسيد الألومنيوم أو الجرافيت. عادةً ما تُستخدم المحولات التفاضلية (LVDT – المحول التفاضلي المتغير الخطي) ، ومؤخراً أجهزة التشفير الضوئية كمستشعرات.
إذا كانت العينات، بسبب خصائصها، صعبة المعالجة أو هشة أو سهلة التشوه بحيث لا يمكنها تحمل قوة قضيب الدفع الملامس، يتم استخدام أجهزة قياس التمدد الضوئي، والمعروفة أيضًا باسم مجاهر التسخين. هنا، كما في حالة مقياس توسع قضيب الدفع، توضع العينة في فرن. تُراقَب العينة بكاميرا تُقاس صورها. من خلال تحليل الصور، لا يمكن ملاحظة التمدد (هنا حتى في بُعدين) فحسب، بل يمكن أيضاً ملاحظة التغيرات في الشكل والذوبان وحساب زوايا التلامس.
يتم قياس العينات المسحوقة في محولات خاصة. يجب توخي الحذر للتأكد من أن الهواء المغلق، وليس العينة، يمكن أن يتسرب (على غرار قياس السوائل). يجب أيضًا مراعاة درجة انضغاط العينة (الكثافة الإجمالية، وكثافة الاهتزاز، والكثافة المستغلة) للعينة: يجب ألا تتغير بسبب ظروف القياس.
يتم قياس المواد ذات معاملات التمدد المنخفضة بشكل خاص باستخدام طرق قياس الت داخل. هنا، ينعكس ضوء أحادي اللون على العينة ويتداخل معه شعاع ثانٍ (مبدأ مقياس تداخل ميكلسون). وينتج التغير في الطول عن الطول الموجي للضوء المستخدم وعدد التداخلات. وتسمى أجهزة القياس هذه أيضًا أجهزة قياس التمدد بالليزر.
