熱應力

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引言

金屬結構的每個構件都會受到熱膨脹的影響。熱變形是由周圍溫度變化引起的。在受到外力作用時，物體可能會變形。

變形範圍和程度在很大程度上取決於物體的不同型別分子引力。由於變形，物體的每個顯著內力都在將其恢復到初始狀態中發揮著重要作用。

什麼是熱應力？

應力是作用於單位面積上的顯著力。當施加的力與溫度有關時，這種應力被稱為熱應力。隨著變形範圍的增加，特定內力的強度也隨之增加 (Zainuddin *等*, 2020)。只有當物體的粒子受溫度變化影響而膨脹時，才會觀察到熱應力。

圖1：熱應力與應變

熱應力公式

與熱應力相關的變形值可以用特定公式來描述。

$$\mathrm{\delta_t\:=\:\alpha\:*\:L\:*\:(T\:-\:T_0)}$$

在這個公式中，𝛿t表示特定結構構件的變形範圍。預期這種變形是溫度變化的結果。α表示結構膨脹的溫度係數。這是一個重要的材料屬性，其測量單位為開爾文 (K)。公式中的L用於表示結構構件原始長度的值 (Novak *等*, 2021)。英尺和米用於表示L的值。最終溫度（以攝氏度和開爾文為單位）用T表示。T₀表示初始溫度的值。對於國際單位制和英制單位制，此值以K或C⁰表示。

計算熱應力的公式很重要，如下所示。對於熱導杆，可以看到該杆長度的變化 (Keulen *等*, 2018)。這種變化與提供的溫度的比例和數量成正比。熱膨脹係數用特定方程式表示。

$$\mathrm{\delta_T\:=\:L\alpha(T_f\:-\:T_i)}$$

$$\mathrm{\delta_T\:=\:L \alpha \Delta T}$$

在這個公式中，L表示長度的值，單位為米。Ti是初始溫度的值，單位為⁰C。Tf的值稱為最終溫度的值，單位為⁰C。溫度變化用$\mathrm{\delta_T}$表示。以⁰C為單位，此值等於(T_f - T_i)。熱膨脹係數用α表示，其單位為m/m⁰C。

熱應力的原因

根據熱力學原理，熱應力是一個重要的力學過程，它處理特定物體內溫的變化。熱應力的主要原因是外部溫度的升高和降低 (Chang *等*, 2019)。熱衝擊也會導致熱應力，從而導致物體開裂甚至破裂。

圖2：熱應力

熱應力的應用

熱應力最基本和最常見的應用是在恆溫器中。“thermo”用於表示溫度，“stat”用於表示靜態。恆溫器是一種用於調節和維持恆定溫度的裝置。恆溫器也用於一些建築裝置，如空調和熨斗 (Shittu *等*, 2019)。熱應力的另一個重要應用在於製備熨斗的雙金屬條。每個恆溫器都包含一個熨斗。雙金屬條的形成使用了兩種不同的金屬。

熱應力的工作原理

圖3：熱應力的工作原理

熱應力的工作過程會根據周圍溫度的變化而變化。在室溫下，接觸點保持與連線到雙金屬條的物理接觸。當溫度超過極限而發生極度加熱時。結果，雙金屬條開始彎曲。周圍溫度的變化是造成這種情況的主要原因 (McClanahan *等*, 2020)。這些變化可以透過識別結構長度的變化來表達。在室溫下，物體的長度表示為L，在低溫下變為$\mathrm{L\: -\:\Delta L}$。當溫度變熱時，此長度變為$\mathrm{L\: + \:\Delta L}$。

結論

如果沒有對熱應力進行適當的檢查，結構的穩定性和強度將受到嚴重影響。忽視評估熱應力的強度可能會導致各種結構部件出現裂紋甚至斷裂。將玻璃在高溫下加熱一段時間，然後立即浸入冷水中，玻璃會碎成碎片。溫度的瞬時變化會導致玻璃失去抓地力並破裂。玻璃中的斷裂和裂紋彼此之間差異很大，因為熱應力的影響性質不同。此示例對於理解熱應力對結構體的影響至關重要。

常見問題

Q1. 用什麼單位表示熱應力？

答：單位面積上的力用於表示使特定物體變形的必要應力。在CGS單位中，應力以達因$\mathrm{cm^{-2}}$表示。SI單位$\mathrm{Nm^{-2}}$用於表示熱應力。

Q2. 結構和材料的重要熱力學性質是什麼？

答：熱應力、熱容、熱導率和熱膨脹是材料的重要屬性。熱量取決於此。

Q3. 熱容與熱應力有何關係？

答：熱應力是外部和內部溫度變化的結果。引起溫度變化所需的熱量稱為熱容。

Q4. 用什麼公式計算熱容的值？

答：公式“Q = mc ΔT”用於提取熱容的值。此值也有助於測量熱應力的值。