Коэффициент линейного расширения бетона и железа

Коэффицие́нт теплово́го расшире́ния
— физическая величина, характеризующая относительное изменение объёма или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 при постоянном давлении. Имеет размерность обратной температуры. Различают коэффициенты объёмного и линейного расширения.

Коэффициент линейного теплового расширения

α L = 1 L ( ∂ L ∂ T ) p ≈ Δ L L Δ T {\displaystyle \alpha _{L}={\frac {1}{L}}\left({\frac {\partial L}{\partial T}}\right)_{p}\approx {\Delta L \over {L\Delta T}}} , К −1 (°C−1) — относительное изменение линейных размеров тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1 К при постоянном давлении.
В общем случае, коэффициент линейного теплового расширения может быть различен при измерении вдоль разных направлений. Например, у анизотропных кристаллов, древесины коэффициенты линейного расширения по трём взаимно перпендикулярным осям: α x ; α y ; α z {\displaystyle \alpha _{x};\alpha _{y};\alpha _{z}} . Для изотропных тел α x = α y = α z {\displaystyle \alpha _{x}=\alpha _{y}=\alpha _{z}} и α V = 3 α L {\displaystyle \alpha _{V}=3\alpha _{L}} .

Например, вода, в зависимости от температуры, имеет различный коэффициент объёмного расширения:

• 0,53·10−4 К-1 (при температуре 5—10 °C);
• 1,50·10−4 К-1 (при температуре 10—20 °C);
• 3,02·10−4 К-1 (при температуре 20—40 °C);
• 4,58·10−4 К-1 (при температуре 40—60 °C);
• 5,87·10−4 К-1 (при температуре 60—80 °C).

Для железа коэффициент линейного расширения равен 11,3×10−6 K−1[1].

Для сталей

Таблица значений коэффициента линейного расширения α, 10−6K−1[2]

Коэффициент линейного расширения бетона и железа

Главная / Про Бетон / Коэффициент линейного расширения бетона и железа

В таблице представлены значения коэффициента линейного расширения строительных материалов (КТЛР) и некоторых металлов при температуре до 100°С. Размерность коэффициента расширения в таблице — м/(м·°С) или 1/град (К -1 ).

В таблице рассмотрены: алюминий Al, медь Cu, сталь, гранит, базальт, кварцит, песчаник, известняк, стеновой кирпич, клинкерный кирпич, силикатный кирпич, легкобетонные камни, газобетонные блоки, бетон, железобетон, цементный раствор, известковый раствор, сложные штукатурки, дерево, параллельно волокнам, стекло.

Из указанных строительных материалов наиболее низким коэффициентом теплового линейного расширения обладает клинкерный кирпич (его КТЛР равен 3,5·10 -6 1/град), а также древесина, штукатурки, стеновой кирпич и базальт. Следует отметить, что высокий коэффициент теплового расширения свойственен металлам таким, как алюминий, медь или сталь. Например, коэффициент линейного расширения алюминия равен 24·10 -6 1/град, что в 2 раза больше, чем у стали.

Коэффициент теплового линейного расширения показывает на сколько (относительно размера тела) удлинится материал при увеличении его температуры на 1 градус.

Чтобы вычислить увеличение линейных размеров материала за счет теплового расширения, необходимо умножить значение температурного коэффициента линейного расширения на линейный размер материала и на разность температур в градусах Цельсия или Кельвина. Например, стеновой кирпич (КТЛР= 0,000006 град -1 ) длиной 240 мм при нагревании на 100 градусов удлинится на 0,144 мм.

По значениям коэффициентов теплового расширения в таблице видно, что указанные строительные материалы и металлы имеют положительный коэффициент линейного расширения, то есть увеличивают свои размеры (расширяются) при нагревании.

источник

Представлены таблицы значений среднего температурного коэффициента линейного расширения сталей ТКЛР (или ТКР) распространенных марок (более 300 марок стали) при различных температурах в интервале от 27°С до указанной в таблицах. Для отрицательных температур приведены значения истинного коэффициента линейного расширения.

Температурный коэффициент линейного теплового расширения стали численно равен относительному изменению ее линейных размеров при увеличении (снижении) температуры этого сплава на 1 градус Цельсия или Кельвина.

При положительной величине ТКЛР в процессе нагрева сталь увеличивается в размерах (расширяется), при отрицательном значении этого коэффициента — сжимается. Отрицательным ТКЛР сталь обладает при сверхнизких температурах, приближающихся к абсолютному нулю (-273,15°С). В этих условиях коэффициент линейного расширения стали имеет малое отрицательное значение и практически равен нулю.

При температуре от 27 до 100°С температурный коэффициент линейного расширения стали в среднем составляет от 10 до 18·10 -6 град -1 . Сталь в нагретом состоянии (в зависимости от типа) при 900-1000°С может иметь ТКЛР до 24,6·10 -6 град -1 .

Рассчитаем линейное удлинение балки из нержавеющей стали 12Х18Н10Т длиной 0,5 метра при повышении ее температуры с 27 до 1027°С. По таблице средний коэффициент линейного расширения стали 12Х18Н10Т в диапазоне температуры 27…1027°С равен 22,3·10 -6 град -1 . Выполним расчет: 22,3·10 -6 ·(1027-27)·0,5=0,0111. Получаем величину линейного удлинения балки 0,0111 м.

В таблице приведены значения коэффициента линейного расширения углеродистой стали в интервале температуры от -173 до 1000°С. При нагревании такой стали ее ТКЛР увеличивается и может достигать 19,8·10 -6 град -1 (для стали У8) в диапазоне температуры 27-650°С.

Поскольку углеродистая сталь почти полностью состоит из железа и не содержит добавок никеля и хрома, ее ТКЛР в значительной мере определяется коэффициентом линейного расширения этого основного компонента. Например, максимальный коэффициент линейного расширения стали 20, как и у железа, составляет 14,8·10 -6 град -1 в диапазоне температуры от 27 до 700°С.

Коэффициенты линейного расширения углеродистой стали

Отрицательный коэффициент теплового расширения

Основная статья: Negative thermal expansion

Некоторые материалы при повышении температуры демонстрируют не расширение, а наоборот, сжатие, т. е. имеют отрицательный коэффициент теплового расширения. Для некоторых веществ это проявляется на довольно узком температурном интервале, как, например, у воды на интервале температур 0…+3,984 °С, для других веществ и материалов, например фторид скандия(III), вольфрамат циркония (ZrW2O8)[3], некоторых углепластиков интервал весьма широк. Подобное поведение демонстрирует также обычная резина. При сверхнизких температурах аналогичным образом ведут себя кварц, кремний и ряд других материалов. Также существуют инварные сплавы (ферро-никелевые), имеющие в некотором диапазоне температур коэффициент теплового расширения, близкий к нулю.

3.2. Термическое расширение твердых тел, жидкостей и газов

Относительное изменение длины твердых тел и объема твердых, жидких и газообразных тел при повышении температуры на ΔT характеризуется, с одной стороны, средним коэффициентом линейного расширения:

с другой — средним коэффициентом объемного расширения:

Здесь l0 и V0 — длина и объем тела при температуре T0, l и V — те же величины при температуре T.

Предельные значения и при ΔT>0 называются истинным коэффициентом линейного расширения:

и истинным коэффициентом объемного расширения:

Размерность коэффициентов линейного и объемного расширения: К–1, °С–1.

В табл. 3.2.1 приведены значения α20 для металлов и сплавов и коэффициенты уравнения lT= l0(1 + aT + bT2), где l0 — длина образца при 0 °С. Интервал температур, в котором применимо это уравнение, указан в третьей графе. В табл. 3.2.2 представлены средние коэффициенты линейного расширения некоторых материалов, в табл. 3.2.3 — данные по объемному термическому расширению неорганических и органических жидкостей, далее — произведение pv, отнесенное к pV при нормальных условиях: для газов — в табл. 3.2.4–3.2.18, для простых веществ и неорганических соединений — в табл. 3.2.19–3.2.22, для органических соединений — в табл. 3.2.23–3.2.26.

Таблица 3.2.1

Линейное расширение металлов и сплавов

Таблица 3.2.2

Средний коэффициент линейного расширения некоторых материалов

При наличии в графе «T, °С» одного числа приводится значение истинного коэффициента линейного расширения.

Примечания

1. Температурный коэффициент линейного расширения на портале Ti-temperatures.ru
2. Зубченко А. С., Колосков М. М., Каширский Ю. В. и др.
   Марочник сталей и сплавов. — Машиностроение, 2003. — С. 585. — 784 с.
3. Mary, T. A. (1996-04-05). «Negative Thermal Expansion from 0.3 to 1050 Kelvin in ZrW2O8». Science272
   (5258): 90–92. DOI:10.1126/science.272.5258.90. Bibcode: 1996Sci…272…90M. Проверено 2008-02-20.

Коэффициент линейного теплового расширения[править | править код]

α L = 1 L ( ∂ L ∂ T ) p ≈ Δ L L Δ T {\displaystyle \alpha _{L}={\frac {1}{L}}\left({\frac {\partial L}{\partial T}}\right)_{p}\approx {\Delta L \over {L\Delta T}}} , К −1 (°C−1) — относительное изменение линейных размеров тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1 К при постоянном давлении.
В общем случае, коэффициент линейного теплового расширения может быть различен при измерении вдоль разных направлений. Например, у анизотропных кристаллов, древесины коэффициенты линейного расширения по трём взаимно перпендикулярным осям: α x ; α y ; α z {\displaystyle \alpha _{x};\alpha _{y};\alpha _{z}} . Для изотропных тел α x = α y = α z {\displaystyle \alpha _{x}=\alpha _{y}=\alpha _{z}} и α V = 3 α L {\displaystyle \alpha _{V}=3\alpha _{L}} .

Например, вода, в зависимости от температуры, имеет различный коэффициент объёмного расширения:

• 0,53⋅10−4 К-1 (при температуре 5—10 °C);
• 1,50⋅10−4 К-1 (при температуре 10—20 °C);
• 3,02⋅10−4 К-1 (при температуре 20—40 °C);
• 4,58⋅10−4 К-1 (при температуре 40—60 °C);
• 5,87⋅10−4 К-1 (при температуре 60—80 °C).

Для железа коэффициент линейного расширения равен 11,3×10−6 K−1[1].

Для сталей[править | править код]

Таблица значений коэффициента линейного расширения α, 10−6K−1[2]