热应力

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引言

金属结构的每个构件都会受到热膨胀的影响。热变形是由周围温度变化引起的。在受到外力作用时，物体可能会变形。

变形范围和程度在很大程度上取决于物体的不同类型分子引力。由于变形，物体的每个显著内力都在将其恢复到初始状态中发挥着重要作用。

什么是热应力？

应力是作用于单位面积上的显著力。当施加的力与温度有关时，这种应力被称为热应力。随着变形范围的增加，特定内力的强度也随之增加 (Zainuddin *等*, 2020)。只有当物体的粒子受温度变化影响而膨胀时，才会观察到热应力。

图1：热应力与应变

热应力公式

与热应力相关的变形值可以用特定公式来描述。

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

在这个公式中，𝛿t表示特定结构构件的变形范围。预期这种变形是温度变化的结果。α表示结构膨胀的温度系数。这是一个重要的材料属性，其测量单位为开尔文 (K)。公式中的L用于表示结构构件原始长度的值 (Novak *等*, 2021)。英尺和米用于表示L的值。最终温度（以摄氏度和开尔文为单位）用T表示。T₀表示初始温度的值。对于国际单位制和英制单位制，此值以K或C⁰表示。

计算热应力的公式很重要，如下所示。对于热导杆，可以看到该杆长度的变化 (Keulen *等*, 2018)。这种变化与提供的温度的比例和数量成正比。热膨胀系数用特定方程式表示。

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

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

在这个公式中，L表示长度的值，单位为米。Ti是初始温度的值，单位为⁰C。Tf的值称为最终温度的值，单位为⁰C。温度变化用$\mathrm{\delta_T}$表示。以⁰C为单位，此值等于(T_f - T_i)。热膨胀系数用α表示，其单位为m/m⁰C。

热应力的原因

根据热力学原理，热应力是一个重要的力学过程，它处理特定物体内温的变化。热应力的主要原因是外部温度的升高和降低 (Chang *等*, 2019)。热冲击也会导致热应力，从而导致物体开裂甚至破裂。

图2：热应力

热应力的应用

热应力最基本和最常见的应用是在恒温器中。“thermo”用于表示温度，“stat”用于表示静态。恒温器是一种用于调节和维持恒定温度的装置。恒温器也用于一些建筑设备，如空调和熨斗 (Shittu *等*, 2019)。热应力的另一个重要应用在于制备熨斗的双金属条。每个恒温器都包含一个熨斗。双金属条的形成使用了两种不同的金属。

热应力的工作原理

图3：热应力的工作原理

热应力的工作过程会根据周围温度的变化而变化。在室温下，接触点保持与连接到双金属条的物理接触。当温度超过极限而发生极度加热时。结果，双金属条开始弯曲。周围温度的变化是造成这种情况的主要原因 (McClanahan *等*, 2020)。这些变化可以通过识别结构长度的变化来表达。在室温下，物体的长度表示为L，在低温下变为$\mathrm{L\: -\:\Delta L}$。当温度变热时，此长度变为$\mathrm{L\: + \:\Delta L}$。

结论

如果没有对热应力进行适当的检查，结构的稳定性和强度将受到严重影响。忽视评估热应力的强度可能会导致各种结构部件出现裂纹甚至断裂。将玻璃在高温下加热一段时间，然后立即浸入冷水中，玻璃会碎成碎片。温度的瞬时变化会导致玻璃失去抓地力并破裂。玻璃中的断裂和裂纹彼此之间差异很大，因为热应力的影响性质不同。此示例对于理解热应力对结构体的影響至关重要。

常见问题

Q1. 用什么单位表示热应力？

答：单位面积上的力用于表示使特定物体变形的必要应力。在CGS单位中，应力以达因$\mathrm{cm^{-2}}$表示。SI单位$\mathrm{Nm^{-2}}$用于表示热应力。

Q2. 结构和材料的重要热力学性质是什么？

答：热应力、热容、热导率和热膨胀是材料的重要属性。热量取决于此。

Q3. 热容与热应力有何关系？

答：热应力是外部和内部温度变化的结果。引起温度变化所需的热量称为热容。

Q4. 用什么公式计算热容的值？

答：公式“Q = mc ΔT”用于提取热容的值。此值也有助于测量热应力的值。