جدول المحتويات
التمدد الحراري
مقدمة في التمدد الحراري
التمدد الحراري – المعروف أيضًا باسم التمدد الحراري – هو ظاهرة فيزيائية ذات صلة بالحياة اليومية وفي مجال التكنولوجيا على حد سواء. وهي تصف التغير في الأبعاد الهندسية لجسم ما عندما تتغير درجة حرارته. ويكتسب فهم هذه الخاصية وقياسها بدقة أهمية خاصة في أبحاث البناء والهندسة الميكانيكية والمواد.
أساسيات التمدد الحراري
ما هو التمدد الحراري؟
وتؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى زيادة الحركة الجزيئية على مستوى جزيئات المادة، وبالتالي تزداد أيضًا متطلبات مساحتها. ويكون التأثير الناتج هو تمدد المادة. وعندما تبرد، تنخفض متطلبات المساحة مرة أخرى ويحدث انكماش حراري.
الأسباب والمبدأ الفيزيائي
- والسبب في ذلك هو الزيادة في الطاقة الحركية للجسيمات أثناء التسخين.
- وهذا يزيد من المسافة بين الجسيمات.
- كل مادة لها معامل تمدد مميز، وهو ما يشير إلى مقدار تمددها عند تغير درجة الحرارة، اعتمادًا على الجسيمات التي تحتويها ودرجات حريتها.
أشكال التمدد الحراري
يمكن أن يظهر التمدد الحراري بأبعاد مختلفة اعتمادًا على شكل الجسم وتكوين المادة: في الطول أو المساحة أو الحجم.
التمدد الخطي
في التمدد الخطي، يتغير طول الجسم على طول محور، على سبيل المثال في حالة قضيب معدني يطول بشكل واضح عند تسخينه. هذا الشكل من التمدد الحراري سهل القياس وهو التطبيق الأكثر شيوعًا.
توسيع السطح
وهذا يزيد من مساحة سطح الجسم – عادةً في حالة الصفائح أو الرقائق التي تتمدد بالتساوي في اتجاهين مكانيين.
توسع في الحجم
يشير التمدد الحجمي إلى التمدد المكاني في الاتجاهات الثلاثة. ويحدث بشكل أساسي في السوائل والغازات، ولكن يمكن ملاحظته أيضًا في المواد الصلبة ويمكن حسابه جزئيًا من التمدد الخطي للمحور.
الوصف الرياضي
التمدد الخطي
\(
\ دلتا L = \ ألفا \ دلتا L_0 \ دلتا T
\ رباعي \ نص{mit} \ رباعي
\ بداية{cases}
\ دلتا L : \\نص {التغيير في الطول (م)} \\
\ ألفا : \نص: \{معامل التمدد الخطي (1/ك)} \\
L_0 : \\النص : \{الطول المبدئي (م)} \\
\ \ دلتا T : \\نص : \{تغير درجة الحرارة (كلفن)}
\إنهاء{cases}
\)
توسع في الحجم
\(
\ دلتا ف = \ جاما \ دلتا ف \ 0 \ دلتا ت
\ دلتا ف \ نص{mit} \ دلتا ف
\ بداية{cases}
\ دلتا ف : \\نص{تغير الحجم (م³)} \\
\ جاما : \\نص: \{معامل تمدد الحجم (1/ك)} \\
V_0 : \\النص: \{الحجم الأولي (م³)} \\
\ دلتا T : \\النص : \{تغير درجة الحرارة (كلفن)}
\نهاية{cases}
\)
طرق القياس لتحديد التمدد الحراري
مقياس الديلاتومتر
A مقياس التمدد يقيس التغيُّر في طول أو حجم العيِّنة مع تغيُّر درجة الحرارة وتغيُّر درجة الحرارة. يتم تسخين العينة أو تبريدها ويتم نقل التغير في طولها إلى محول طاقة الإزاحة عبر قضيب دفع. يتم تعويض التمدد الكامن في نظام القياس أو تصحيحه بمساعدة مادة مرجعية.
المتغيرات المقيسة النموذجية:
- المعامل الخطي للتمدد الحراري (CTE)
- درجات حرارة التلبيد ومراحله
- درجات حرارة الانتقال الزجاجي (Tg)
- التحولات الطورية
- التغيرات في الحجم والكثافة
مجالات التطبيق:
- المواد: المعادن والسيراميك والزجاج والبوليمرات والمواد المركبة
- نطاق درجة الحرارة الممكنة: -260 درجة مئوية إلى +2800 درجة مئوية (حسب تكوين الجهاز)
التحليل الميكانيكي الحراري (TMA)
التحليل الميكانيكي الحراري التحليل الميكانيكي الحراري (TMA) هو طريقة لقياس التغيرات في الأبعاد تحت ضغط ميكانيكي عند درجة حرارة محددة. يضغط مسبار على العينة بقوة ثابتة بينما تتغير درجة الحرارة ببطء. يقيس المستشعر، الذي غالبًا ما يكون محول تفاضلي أو LVDT (محول تفاضلي متغير خطي)، التغيرات الناتجة في الطول في الوقت الفعلي.
الخصائص المقاسة:
- التمدد الخطي ومعامل التمدد
- نقاط التليين
- عمليات الانكماش أثناء التلبيد
- الانتقال الزجاجي، ودرجة الانصهار، والتبلور
- الزحف والارتخاء (التشوه المعتمد على الوقت تحت الحمل)
التطبيقات النموذجية:
وبفضل حساسيته العالية، لا يتيح جهاز TMA تحديد التمدد فحسب، بل يتيح أيضًا الكشف عن التحولات الفيزيائية الضعيفة – مثل التغيرات في الشبكة البلورية أو التصلب أو التفكك. وهذا يجعلها أداة متعددة الاستخدامات للأبحاث والصناعة.
استخدام مقاييس التمدد الحراري لتحليل التمدد الحراري
الوظائف بالتفصيل
أجهزة قياس التمدد الحراري هي أدوات مهمة لتحديد التمدد الحراري للمواد. يتم إجراء القياس إما باستخدام مكونات ميكانيكية مثل قضيب الدفع أو بدون تلامس مع أجهزة الاستشعار البصرية. توضع العينة في فرن قابل للتسخين يتم فيه تشغيل ملف تعريف درجة حرارة محدد. ومع تغير درجة الحرارة، يقيس محول طاقة إزاحة عالي الدقة التغير في طول مادة العينة. يمكن استخدام هذا القياس لتحديد معامل التمدد الحراري الخطي (CTE) – وهو معلمة رئيسية لوصف السلوك الحراري للمواد.
أهم الخطوات في عملية القياس:
- يتم تسخين العينة أو تبريدها بطريقة مضبوطة.
- يتم تسجيل التغير الناتج في الطول بدقة عالية.
- يتم حساب CTE من النسبة بين التغير في الطول والتغير في درجة الحرارة.
تتيح هذه الطريقة دقة في نطاق دون الميكرومتر وهي مناسبة لكل من ضوابط الجودة الروتينية والتطبيقات البحثية.
التطبيقات والمتغيرات المقيسة النموذجية
توفر أجهزة قياس الديلاتومتر مجموعة متنوعة من المعلمات القابلة للقياس ذات الأهمية المركزية لتطوير المواد والعمليات الصناعية:
التطبيقات النموذجية:
- تحديد التحولات الزجاجية والانتقالات الطورية
- تحليل سلوك الانكماش في عمليات التلبيد
- قياس تغيرات الحجم والكثافة
- الاستخدام في ضمان الجودة وتطوير المواد والأبحاث
الاختلافات بين المواد
مقارنة معاملات التمدد
- اللدائن: على سبيل المثال PE = 2.10-4 كلفن-1 كلفن
- المعادن: الألومنيوم = 23.8-10-10-6 كلفن-1، الصلب = 11-1310-6 كلفن-1
- السيراميك/الزجاج: Al₂O₃ = 7.5-10-6 كلفن-1
- المواد الخاصة: إنفار = 0.55-1.2-1.10-10-6 كلفن-1
الأهمية للتطبيقات التقنية
- يمكن أن تؤدي الاختلافات الكبيرة إلى حدوث ضغوط وفشل مادي.
- يعد الاختيار الدقيق للمواد أمرًا بالغ الأهمية للتصميمات المتينة.
التطبيقات العملية والتحديات
الأهمية المشتركة بين الصناعات
يعتبر التمدد الحراري مشكلة رئيسية في العديد من التخصصات التقنية. واعتمادًا على مجال التطبيق، يمكن استخدامه بطريقة مستهدفة أو يجب تعويضه بشكل فعال من أجل تجنب تلف المكونات أو فقدان وظيفتها. تعتبر تدابير التصميم المدروسة جيدًا ضرورية، خاصةً في حالة التقلبات الدائمة في درجات الحرارة، كما يحدث في العديد من البيئات التقنية.
المجالات النموذجية لتطبيق :
- الهندسة المدنية: تضمن فواصل التمدد في الجسور أو الممرات أو خطوط الأنابيب إمكانية تمدد المواد أو انكماشها مع تقلبات درجات الحرارة دون التسبب في حدوث تشققات أو أضرار هيكلية.
- الهندسة الميكانيكية: في الآلات والأنظمة، غالبًا ما يتعين على المكونات ذات سلوك التمدد المختلف أن تعمل معًا. إذا لم تؤخذ هذه الاختلافات في الاعتبار، فهناك خطر حدوث إجهاد أو تسرب أو تآكل سابق لأوانه.
- الإلكترونيات: غالبًا ما تُصنع لوحات الدوائر المطبوعة وأشباه الموصلات والأغلفة من مواد مختلفة. يمكن أن تؤدي التركيبة غير الصحيحة مع قيم CTE المختلفة إلى كسور في وصلات اللحام أو تشققات في المواد.
- الفضاء الجوي: المتطلبات هنا عالية بشكل خاص. يجب أن تتحمل المكونات كلاً من البرودة الشديدة في الفضاء والحرارة الشديدة في الغلاف الجوي – دون أن تتشوه أو تفقد وظيفتها.
أمثلة من الممارسة العملية
- يتم وضع مسارات السكك الحديدية مع وجود فجوات لتجنب التشوه الناتج عن التمدد الحراري.
- يمكن لزجاج البورسليكات في أوعية المختبر والطهي أن يتحمل الصدمات الحرارية بفضل معامل تمدده المنخفض.
- يتمدد الماء عندما يتجمد – وهو استثناء يضمن أن يطفو الجليد على الماء ويعزله.
الخاتمة
التمدد الحراري ظاهرة محورية في الفيزياء والتكنولوجيا. وتتيح معرفتها الدقيقة وقياسها الدقيق باستخدام أجهزة قياس التمدد الحراري أو TMA تحسين المواد لاستخدامها على النحو الأمثل. وهذا يجعل من الممكن تطوير المنتجات التي تعمل بشكل موثوق حتى في ظل الظروف القاسية – سواء في الصناعة أو الأبحاث أو الحياة اليومية.
المصادر الموصى بها للدراسة المتعمقة
- LEIFIphysics: تغير حجم وطول المواد الصلبة
(شرح أساسيات التمدد الحراري بوضوح) - ويكيبيديا: التمدد الحراري
(نظرة عامة على الأشكال والصيغ والقيم النموذجية) - موقع Studyflix: معامل التمدد الحراري
(شرح مضغوط مع الصيغ والأمثلة) - إرشادات الدورة التدريبية العملية لجامعة دريسدن التقنية: التحليل الحراري
(طرق القياس القائمة على أساس علمي، بما في ذلك TMA ومقياس التمدد) - PTB – Physikalisch-Technische Bundesanstalt: مقياس التمدد
(وصف تقني مفصل لمقاييس التمدد) - ويكي خدمة البوليمر: التحليل الميكانيكي الحراري
(التطبيق المحدد وطريقة تشغيل TMA) - جامعة دويسبورغ-إيسن: قياس الديلاتومترية
(معلومات أساسية عن التحليل الحراري للمواد الصلبة)
