394 热设计-热膨胀系数
394 热设计-热膨胀系数
背景
热膨胀系数有时也称热弹性系数,单位1/K或1/℃;是指材料温度升高1℃时,材料长度或体积的增加率,前者称为线膨胀系数(通常用α表示),后者称为体积膨胀系数(通常用β表示),体积膨胀系数约为线膨胀系数的3倍,即:
α=(1/L)(dL/dT)
β=(1/V)(dV/dT)
β=3α
式中,α为材料的线膨胀系数,1/K;L为材料长度,m;T为材料温度,℃或K;β为材料体积膨胀系数,1/K;V为材料体积,m3;d表示微分。
部分材料的热膨胀系数如下。
固体热膨胀系数
(20℃,线膨胀系数,10-6/℃)
尼龙120.0
有机玻璃(PMMA,聚甲基丙烯酸甲酯)85.0
聚氯乙烯(PVC)80.0
冰(0℃)51.0
镉(Cd)41.0
食盐40.0
锌36.0
铅(Pb)29.3
锡(Sn)26.7
镁(Mg)26.0
铝(Al)23.2
锰(Mn)23.0
银(Ag)19.5
黄铜18.4
铜(Cu)17.5
康铜15.2
不锈钢14.4~16.0
金(Au)14.2
铋(Bi)14.0
镍(Ni)13.0
钢13.0
铍(Be)12.3
铁(Fe)12.2
石英12.0
钛(Ti)10.8
锑(Sb)10.5
混凝土10.0~14.0
铂(Pt)9.0
灰铸铁9.0
木材8.0
普通玻璃7.1~7.6
铱(Ir)6.5
铬(Cr)6.2
锗(Ge)6.0
水泥6.0~14.0
钼(Mo)5.2
柯伐合金(铁镍钴合金,Kovar)5.0
砖5.0~10.0
钨4.5
工业玻璃4.5
花岗岩3.0
陶瓷3.0
石墨2.0
锂霞石(LiAlSiO4)2.0
低变形钢1.7~2.0
钻石1.3
石英玻璃0.5
玻璃陶瓷<0.1
碳纤维-0.5
芳纶-4.1
液体热膨胀系数
(20℃,体积膨胀系数,10-6/℃)
乙醚1620
丙酮1430
乙酸乙酯1380
氯仿(三氯甲烷)1275
苯1240
正庚烷1240
四氯化碳1220
二硫化碳1190
三氯乙烯1170
甲醇1140
正辛烷1140
溴1100
乙酸1100
乙醇(酒精)1090
甲苯1100
果酸1070
松节油1000
煤油980
汽油950
苯胺850
二甲苯850
石蜡760
矿物油700
乙二醇570
浓硫酸550
甘油(丙三醇)490
水 209
汞(水银) 180
气体热膨胀系数
气体热膨胀系数可采用状态方程计算得出。如气体压力不高时,可采用理想气体状态方程(式1):
pV=nRT
式中,p为气体压力,V为气体体积,n为气体摩尔数,R为气体常数,T为气体温度。
压力一定时,对式1等号两边进行微分处理,得(式2):
pdV=nRdT
dV/dT=nR/p
β=(1/V)(dV/dT)= nR/(pV)
= nR/(nRT)=1/T
即气体的体积热膨胀系数约为其温度(单位为K)的倒数。
其他
材料的热膨胀系数通常大于0,但也可能小于0,如固体材料中的芳纶、0~4℃之间的水等。
对各向异性材料,不同方向的热膨胀系数可能差别很大,如木材、石墨(垂直于层面方向的热膨胀系数较大)等。
前面给出的热膨胀系数数据多数是基于20℃附近的,但热膨胀系数与材料温度高低有关,通常在低温时热膨胀系数随温度变化较大,高于某温度时则随温度变化较小。
对多数材料,热膨胀系数通常与其比热容成正比;对金属材料,热膨胀系数还近似与其熔点成反比,如:
αTm=0.024
如铜的熔点为1083.4℃(1356.4K),其热膨胀系数估算值约为:
0.024/1356.4=17.7*10-6/K(精确值17.5*10-6/K)。
银的熔点为961.78℃(1234.78K),其热膨胀系数估算值约为:
0.024/1234.78=19.4*10-6/K(精确值19.5*10-6/K)。
钨的熔点为3422℃(3695K),其热膨胀系数估算值约为:
0.024/3695=6.5*10-6/K(精确值4.5*10-6/K)。