Dilatarea corpurilor

Dilatarea corpurilor

1. Dilatarea liniara

Experienta de toate zilele demonstreaza ca un corp isi modifica dimensiunile atunci cand este supus actiunii caldurii: se dilata odata cu cresterea temperaturii si se contracta la scaderea ei. Referiri calitative la acest fenomen s-au facut atunci cand este supus actiunii caldurii: se dilata odata cu cresterea temperaturii si se contracta la scaderea ei. Referiri calitative la acest fenomen s-au facut atunci cand a fost prezentata constructia termometrului cu mercur. Avand in vedere importanta si multiplele aplicatii pe care dilatarea le are in tehnica, inclusiv in domeniul pazei contra incendiilor, este necesar sa se aprofundeze o serie de cunostinte privind acest fenomen.

Trebuie sa precizam ca marirea prin incalzire sau micsorarea acestuia prin racire se constata indiferent de starea sa de greutate: solid, lichid sau gaz.

Practic, intereseaza dilatarea corpurilor in lungime, pentru obiecte a caror sectiune este foarte mica in raport cu lungimea: bare, fire etc. si dilatarea in volum, indeosebi pentru gaze.

Analiza atenta a permis cercetatorilor sa determine legi care guverneaza comportarea corpurilor sub efectul temperaturii. Astfel s-a stabilit ca dilatatia sau alungirea unei bare este proportionala cu lungimea initiala a corpului si cu variatia temperaturii, factorul de proportionalitate fiind o constanta caracteristica fiecarui material.

Matematic aceasta relatie se exprima sub forma:

∆ l = α ∙ l₀ ∆ t

sau:

l_t - l_o = α ∙ l₀ ∙ ∆ t

unde:

∆ l = l_t - l₀ este variatia lungimii sub efectul variatiei temperaturii (∆t);

l₀ = lungimea initiala;

l_t = lungimea finala (la temperatura t)

α - coeficientul de dilatatie (factor de proportionalitate, dependent de natura substantei din care este facuta).

Coeficientul de dilatatie arata cresterea unitatii de lungime atunci cand temperatura creste cu 1sC. Unitatea de masura pentru coeficientul de dilatatie este:

α [__m__] = grd^-1

m ∙ grd.

Din relatia l_t - l_o = α ∙ l₀ ∙ ∆ t se poate calcula lungimea unei bare supusa dilatarii atunci cand se cunoaste lungimea sa initiala, diferenta de temperatura si materialul din care este confectionata.

l_t = l_o + ∆l = l_o + αl_o∆t

l_t = l_o (1 + α ∆ t)

Expresia (1 + α ∆ t) se numeste binom de dilatatie liniara. In tabela 7 sunt dati coeficienti de dilatatie liniara ai unor substante larg intrebunitate.

Valorile din tabela permit sa se traga cateva concluzii interesante:

1. Observam ca α nu este constant cand temperatura variaza. Pentru calculele necesare in practica putem insa aproxima o valoare medie pentru intervalul de temperatura respectiv.

2. Metalele cu punct de topire ridicat au un coeficient de dilatatie mai mic (exemplu tungstenul, platina).

3. Mercurul are un coeficient de dilatare foarte mare in raport cu celelalte metale, fapt care justifica utilizarea sa ca substanta termometrica.

Tabela 7

Coeficienti de dilatare liniara

2. Aplicatii ale dilatatiei

In tehnica intalnim nenumarate situatii cand trebuie sa se tina seama de fenomenele de dilatatie, pentru a evita o seama de consecinte nefavorabile. Astfel, conductelor metalice prin care circula lichide incalzite sau vapori trebuie sa li se asigure posibilitatea de a se dilata liber utilizand racorduri speciale (alunecatoare) sau forme constructive care sa preia dilatarea (lire de dilatatie).

La constructia podurilor metalice unul din capete se sprijina pe role de dilatatie pentru a permite alungirea libera in caz de variatie a temperaturii.

Firele circuitelor electrice, telefonice, telegrafice etc. se monteaza cu o anumita sageata (mai putin intinse) pentru ca in timpul iernii sa nu se rupa ca urmare a contractiei. Exemplele pot continua. Ne vom opri insa la cele care au aplicatii speciale in combaterea incendiilor.

3. Releul termic cu lama bimetalica

Sa ne imaginam o lama formata din doua placute de metale diferite presate una langa alta. Presupunem ca au fost solidarizate o placuta de otel si una de zinc. Daca aceasta lama bimetalica este supusa unei cresteri de temperatura cele doua placute se vor dilata in mod diferit (α_otel = 1,1 x 10^-5 grad^-1, α_zinc = 3,54 ∙ 10^-5 grd^-1), zincul avand tendinta sa se alungeasca mai mult. Deoarece placutele sunt strans lipite una de alta, lama bimetalica se va curba, zincul ramanand pe arcul exterior (cel cu lungime mai mare). Daca, dimpotriva, lama bimetalica va fi puternic racita, ea se va curba avand otelul pe arcul exterior.

Un asemenea dispozitiv poate functiona ca termoregulator pentru diverse aparate (etuva, clocitoare automata, cuptoare etc.). Atingerea unei temperaturi fixate determina curbarea lamei bimetalice si deci deschiderea circuitului electric, avand ca urmare intreruperea sistemului de incalzire.

4. Detectoare termice

Pricipiul lamei bimetalice este aplicat si la constructia detectoarelor termice de incendiu. Acestea utilizeaza efectul caloric al unui inceput de incendiu pentru a provoca topirea sau dilatarea unui element de actionare, legat la contactele unui releu electric amplasat in detector.

Este de remarcat faptul ca instalatiile automate de stingere cu apa (sprinkler) sunt echipate cu elemente de declansare termosensibile din aliaj eutectic, care se topeste la o temperatura determinata sau cu o capsula continand un lichid care se dilata provocand spargerea capsului, de asemenea la o temperatura prestabilita. Topirea elementului termosensibil sau spargerea capsulei asigura intrarea in functiune a capului de sprinkler.

Detectorul termostatic declanseaza alarma in momentul cand temperatura atinge o valoare fixa, pentru care a fost etalonat. Se intalnesc doua tipuri de detectoare termostatice: cu lama bimetalica sau cu aliaj eutectic.

Detectorul termostatic cu lama bimetalica declanseaza alarma prin deschiderea unui circuit electric intocmai ca un termoregulator.

Detectoarele termostatice cu aliaj eutectic sunt construite in mod obisnuit pentru a semnaliza atingerea unor temperaturi de 65, 75, 95, 130, 180, 230 sau 280sC, corespunzator punctului de topire a aliajului respectiv.

Detector termostatic cu aliaj eutectic. Elementul sensibil la acest tip de detector este un cilindru din aliaj eutectic asezat intre electrodul central si corpul detectorului. La cresterea temperaturii aliajul se topeste ocupand pozitia si inchizand circuitul electric de alarmare.

Ca detectoare mai sunt: detector termostatic cu lama bimetalica, detector termostatic cu aliaj eutectic, detector termostatic cu aliaj fuzibil.

In tara noastra se fabrica termostatice cu element fuzibil.

Detectorul termovelocimetric, spre deosebire de precedentele, actioneaza la o valoare determinata a vitezei de crestere a temperaturii, independent de valoarea absoluta a acesteia. Ele reactioneaza indata ce gradientul (viteza de variatie) temperaturii depaseste pragul indicator al unei incalziri anormale sau al unui inceput de incendiu. In schimb detectoarele termovelocimetrice sunt insensibile la variatii ale temperaturii datorita unor cauze naturale (incalzire normala, radiatie solara etc.) care provoaca gradiente de temperatura mai mici decat valoarea de reglaj.

Detectoarele velocimetrice sunt construite pentru gradiente de temperatura cuprinse intre 2 si 20sC pe minut. In functie de elementul sensibil, deosebim detectoare la care variatia temperaturii este inregistrata prin dilatarea unor corpuri solide, lichide sau gazoase sau prin producerea unui curent electric intr-o serie de termoelemente.

Spre exemplu, se poate construi un detector termovelocimetric utilizand doua lamele bimetalice cu viteze de dilatare diferite. Se poate actiona in sensul micsorarii vitezei de dilatare, deci a sensibilitatii, prin ingrosarea lamelei bimetalice sau prin introducerea ei intr-o teaca izolatoare. In cazul unei cresteri lente a temperaturii cele doua lamele bimetalice (a si b) se dilata in mod egal pastrand contactul electric. Daca variatia temperaturii este rapida atunci datorita inertiei termice, lamelele a reactioneaza cu intarziere, in raport cu lamelele b si contactul electric se intrerupe declansand semnalul de alarma. Sensibiliatea detectoarelor cu lamele bimetalice este de ordinul a 6sC/min.

La un alt tip de detectoare termovelocimetrice elementul sensibil este constituit dintr-un recipient de aer care actioneaza asupra unei membrane sau asupra unui piston calibrat care comanda contactele unui releu cu deschidere brusca. Incalzirea rapida a aerului din recipient provoaca dilatarea acestuia si, sub actiunea presiunii create, membrana sau pistonul este impins eliberand contactele releului. Recipientul de aer este prevazut cu o supapa destinata sa compenseze dilatarea aerului pe care il contine, cand temperatura creste lent.

Pentru o mai mare siguranta sistemul de detectoare termovelocimetrice se asociaza cu unul termostatic fapt care ofera posibilitatea sa se declanseze alarma la atingerea valorii de consemn a temperaturii (exemplu 73sC) in ipoteza unei cresteri lente care nu ar afecta detectorul termovelocimetric.