İçindekiler
Termal genleşme ve yoğunluk
Malzemelerin ısıl genleşmesi büyük ekonomik zararlara yol açabilir. Örneğin inşaatta,
Genleşme tüm uzamsal yönlerde gerçekleşir, böylece kütle sabit kalırken yoğunluk değişir. Anizotropik malzemelerin genleşmesi yöne bağlıdır, bu nedenle genleşme yönü belirtilmelidir. Bu nedenle, yoğunluğu veya hacim genleşme katsayısını belirlemek için tüm uzamsal yönler dikkate alınmalıdır.
Termal genleşmenin tanımı
CTE olarak da bilinen termalgenleşme katsayısı α, sıcaklık bir Kelvin değiştiğinde uzunluktaki göreceli değişim olarak tanımlanır:
α= ∆L/(L0 *∆T)
ile:
∆L: Uzunluk değişimi [m]
L0: Başlangıç uzunluğu [m]
∆T: Sıcaklık değişimi [K]
α için K-1 (“Kelvin başına”) birimiyle sonuçlanır. Sıcaklığa bağlıdır ve bu nedenle, söz konusu sıcaklık aralığına bağlı olarak genellikle sadece küçük bir ölçüde değişir. Büyüklük sırası tipik olarak 10-6 K-1’dir ve bu nedenle genellikle “ppm K-1” olarak verilir.
Düşük genleşme katsayısına sahip malzemeler, örneğin 1 ppm K-1’den daha düşük genleşme katsayısına sahip kuvars cam ve metal INVAR’dır. Polimerler en yüksek genleşme katsayılarına sahiptir (yaklaşık 200 ppm K-1’e kadar). Sıcaklık aralığına bağlı olarak bazı malzemeler negatif genleşme gösterir.
Faz dönüşümleri
Aynı malzemenin farklı fazlarının genleşme katsayıları farklılık gösterir. Örneğin, polimerlerin genleşme katsayıları aşağıdaki değerlerin üzerindedir cam geçiş sıcaklığı aşağıdan daha büyüktür.
İyi bilinen bir başka örnek de elementel demirin faz dönüşümleridir: 906 °C’ye kadar gövde merkezli kübik kristal yapı (α-demir), 906 °C’den 1401 °C’ye kadar en yoğun kübik yapı (β-demir) ve 1539 °C’nin üzerinde gövde merkezli kübik yapı (δ-demir) kararlıdır. En yoğun kübik paketlemenin (%74) boşluk dolgusu gövde merkezli kübik paketlemeden (%68) daha fazla olduğundan, faz dönüşümleri sırasında yoğunlukta ve dolayısıyla uzunlukta sıçramalar olur. Bunlar demir alaşımlarındaki faz geçişlerini tespit etmek için kullanılır:
Genleşme katsayısının ölçümü
Sıvılar
Sıvıların genleşmesi veya yoğunluğu genellikle piknometreler kullanılarak belirlenir. Numunenin sabit bir hacmi temperlenir ve kütle belirlenir. Sıvılar genellikle artan sıcaklıkla genleşir. İyi bilinen bir istisna, 4 °C’de maksimum yoğunluğa sahip olan sudur (“su anomalisi”).
Salınımlı U-tüpü yöntemi de kullanılmaktadır. Burada yoğunluk, analiz edilecek sıvıyla dolu salınımlı bir U tüpünün doğal frekansı ölçülerek hesaplanır.
Sıvılar, itme çubuklu dilatometre üzerinde uygun sıvı kapları kullanılarak da ölçülebilir. Sıvıdan gaz kaçmamasına ve kaçan gazların da kabı terk etmesine dikkat edilmelidir, ancak sıvı numunenin kaçmaması gerekir.
Katı hal
Katı maddeler genellikle (itme çubuğu) dilatometreler veya termomekanik analizörler (TMA) kullanılarak ölçülür. Burada numune bir fırın içine yerleştirilir ve bir itme çubuğu ile temas ettirilir. Numunenin uzunluğundaki değişim itme çubuğu tarafından bir sensöre aktarılır. Kullanılan fırına bağlı olarak -263 ila +2800 °C’lik bir sıcaklık aralığı kapsanabilir. Sıcaklık aralığına bağlı olarak kuvars cam, alüminyum oksit veya grafitten yapılmış itme çubukları kullanılır. Sensör olarak genellikle diferansiyel transformatörler (LVDT – Lineer Değişken Diferansiyel Transformatör) ve son zamanlarda optik enkoderler kullanılmaktadır.
Özellikleri nedeniyle numunelerin işlenmesi zorsa, kırılgansa veya temas eden itme çubuğunun kuvvetine dayanamayacak şekilde kolayca deforme oluyorsa, ısıtma mikroskopları olarak da bilinen optik dilatometreler kullanılır. Burada, itme çubuğu dilatometresinde olduğu gibi, numune bir fırına yerleştirilir. Numune, görüntüleri ölçülen bir kamera ile gözlemlenir. Görüntüler analiz edilerek, sadece genleşme (burada 2 boyutta bile) değil, aynı zamanda şekil ve erimedeki değişiklikler de gözlemlenebilir ve temas açıları hesaplanabilir.
Toz halindeki numuneler özel adaptörlerde ölçülür. Numunenin değil ancak kapalı havanın dışarı çıkabilmesine dikkat edilmelidir (sıvıların ölçümüne benzer şekilde). Numunenin sıkıştırma derecesi de (yığın yoğunluğu, titreşim yoğunluğu, vurulmuş yoğunluk) dikkate alınmalıdır: ölçüm koşulları tarafından değiştirilmemelidir.
Özellikle düşük genleşme katsayılarına sahip malzemeler interferometrik yöntemler kullanılarak ölçülür. Burada, monokromatik ışık numune tarafından yansıtılır ve ikinci bir ışınla etkileşime girmesine neden olur (Michelson interferometresi prensibi). Uzunluktaki değişim, kullanılan ışığın dalga boyundan ve girişim sayısından kaynaklanır. Bu tür ölçüm cihazlarına LASER dilatometreler de denir.
