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/K1/℃;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/KL为材料长度,mT为材料温度,℃或K;β为材料体积膨胀系数,1/KV为材料体积,m3d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(PVC80.0

冰(0℃)51.0

镉(Cd41.0

食盐40.0

36.0

铅(Pb29.3

锡(Sn26.7

镁(Mg26.0

铝(Al23.2

锰(Mn23.0

银(Ag19.5

黄铜18.4

铜(Cu17.5

康铜15.2

不锈钢14.416.0

金(Au14.2

铋(Bi14.0

镍(Ni13.0

13.0

铍(Be12.3

铁(Fe12.2

石英12.0

钛(Ti10.8

锑(Sb10.5

混凝土10.014.0

铂(Pt9.0

灰铸铁9.0

木材8.0

普通玻璃7.17.6

铱(Ir6.5

铬(Cr6.2

锗(Ge6.0

水泥6.014.0

钼(Mo5.2

柯伐合金(铁镍钴合金,Kovar5.0

5.010.0

4.5

工业玻璃4.5

花岗岩3.0

陶瓷3.0

石墨2.0

锂霞石(LiAlSiO42.0

低变形钢1.72.0

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

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

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

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、04℃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)。

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