Что делать, если антифриз в расширительном бачке поднялся выше «максимума» — Лайфхак
- Лайфхак
- Эксплуатация
фото соцсети
Заглядывать под капот своей машины не только, чтобы долить «омывайку» — полезная привычка для каждого автовладельца. В ходе такой инспекции неплохо бы контролировать еще и уровень охлаждающей жидкости в бачке при работающем моторе.
Максим Строкер
Когда в расширительном бачке системы охлаждения недостаточно жидкости, мотор, как известно, может перегреться и выйти из строя полностью. Но и повышенный уровень содержимого бачка тоже чреват неприятностями. Оговоримся сразу: в этом материале речь идет не о малозначительном превышении — в несколько миллиметров, а о ситуации, когда уровень моторного хладагента приближается чуть ли не к горлышку сосуда. Причем «на холодную» ничего подобного вы не наблюдаете.
Это связано с тем, что антифриз при нагревании расширяется, а с увеличением его объема растет и уровень в бачке. Если подобная картина вызвана тем, что вы залили в систему слишком много охлаждающей жидкости, это не беда — при условии, что все ее составные части работают, как положено. Клапан, встроенный в крышку заливной горловины радиатора, обязан справляться как раз с подобными ситуациями. Он просто выпустит избыток жидкости и пара наружу, опустив давление в системе до оптимального уровня.
Самое неприятное, к чему этом приведет — облитый антифризом моторный отсек и пар из-под капота. Со временем, через несколько лет эксплуатации автомобиля, этот самый клапан перестает выполнять свои предохранительные функции. Тут остается надеться на крышку расширительного бачка. Вернее — на ее негерметичность. Поднявшийся хладагент выдавится через негерметично закрученную крышку и все на этом закончится.
фото: maslo
Когда с крышкой все в порядке, предохранительный клапан не срабатывает, «расширившийся» антифриз создает повышенное давление в системе охлаждения мотора и оно обязательно найдет самое слабое место, чтобы «вырваться на свободу». Как правило, таким «слабым звеном» становятся либо прокладка головки блока цилиндров, либо сам расширительный бачок. Если лопнет последний — неприятно, но не страшно. Его замена обычно не требует серьезных затрат денег и времени.
«Пробитая прокладка» — это уже серьезно. Ведь через нее ОЖ станет попадать в камеру сгорания двигателя, а оттуда в моторное масло. Результатом, скорее всего, станет, необходимость серьезного ремонта силового агрегата.
Ну а если вы давно не доливали охлаждающую жидкость, а ее уровень при работающем двигателе сильно вырос, это тоже плохой знак. Скорее всего, выхлопные газы чрез все ту же пробитую прокладку головки блока цилиндров попали в систему охлаждения и занимают в ней часть внутреннего объема — явный «звоночек» для отправки авто на переборку движка.
Таким образом, если вы обнаружили резко поднявшийся уровень охлаждающей жидкости в расширительном бачке и не видите потеков антифриза вокруг его крышки и заливной горловины радиатора охлаждения, немедленно глушите мотор! А затем либо на эвакуаторе, либо на буксире отправляйте авто в руки ремонтников-двигателистов: возможно, что неприятности в цилиндрах еще не успели достичь катастрофического масштаба.
155932
- Автомобили
- Тест-драйв
197040
- Автомобили
- Тест-драйв
197040
Подпишитесь на канал «Автовзгляд»:
- Telegram
- Яндекс.Дзен
двигатель, ремонт, моторное масло, антифриз
для чего нужен, принцип работы, где находится и что в него заливают » АвтоНоватор
Система охлаждения современного автомобиля включает в себя несколько элементов, без которых её нормальное функционирование невозможно. К таковым относится и расширительный бачок, устанавливаемый в разных местах подкапотного пространства в зависимости от марки авто. Незамысловатый пластиковый резервуар с пробкой играет важную роль в работе охлаждающего контура двигателя и требует периодического контроля со стороны владельца машины.
Содержание
-
1 Назначение расширительной ёмкости
-
1.
1 Видео: зачем нужен расширительный бачок
-
-
2 Конструкция и принцип действия
-
3 Место бачка в охладительной системе
-
4 Жидкости для заливки в бак
-
4.1 Видео: жидкости для заливки в контур охлаждения автомобиля
-
-
5 О неисправностях и ремонте ёмкости
-
5.1 Видео: ремонт корпуса бачка
-
Назначение расширительной ёмкости
В системах охлаждения различных автомобилей содержится от 5 до 20 и более литров незамерзающей жидкости — антифриза (тосола). В процессе эксплуатации двигатель, а вместе с ним и антифриз разогревается от низкой температуры зимой до высокой в летний период.
Перепад температур может достигать 100 °С и более. Например, при эксплуатации машины в северных регионах, где прогрев мотора начинается от минус 20 °С и заканчивается рабочей температурой 90 °С, эта разница составит 110 °С.
Во время работы двигателя в расширительном баке возникает давление около 1 Бар
Поскольку любая жидкость расширяется в объёме при нагревании, в охладительном контуре авто образуется излишек, который нужно куда-то направить. Антифриз является средой несжимаемой, поэтому при расширении он создаст в системе высокое давление, способное разорвать патрубки и соты радиаторов. И наоборот, при охлаждении жидкость уменьшится в объёме и создаст разрежение (вакуум), воздействующий с такой же силой.
Чтобы обеспечить нормальную работу системы охлаждения силового агрегата и избежать скачков давления, в неё интегрирован расширительный бачок. Его функции следующие:
- воспринимать дополнительный объём антифриза, расширяющегося при нагреве;
- сбрасывать излишки давления через пробку со встроенным предохранительным клапаном;
- отдавать жидкость обратно в систему при остывании мотора, препятствуя возникновению воздушных пробок.
На грузовиках применяются расширительные баки больших размеров
Антифриз, являющийся смесью дистиллированной воды с этиленгликолем (иногда — пропиленгликолем), при нагревании от нуля до 100 °С прибавляет в объёме порядка 5%.
В контуре, рассчитанном на 10 л тосола, после полного прогрева образуется целых 500 мл, которые уходят в расширительный бачок.
Видео: зачем нужен расширительный бачок
Конструкция и принцип действия
Современные расширительные ёмкости для автомобилей представляют собой резервуар, изготовленный из прочной толстостенной пластмассы с заливной горловиной и штуцерами для подключения к элементам охлаждающей системы. Форма резервуара не имеет значения в функциональном плане, так что производители подгоняют её под место установки резервуара.
Форма бачка зависит от места его установки и может быть разной — круглой, прямоугольной или плоской
Вместительность сосуда для расширяющегося тосола рассчитывается для каждой модели авто и зависит от полного объёма жидкости в патрубках и агрегатах. Причём в холодном состоянии бачок заполняется антифризом только наполовину, остальное пространство занимает воздух, способный сжиматься под давлением.
Горловина резервуара закрыта пробкой со встроенным воздушным клапаном. Принцип работы ёмкости следующий:
- При «холодном» моторе бачок наполовину пуст — уровень антифриза находится между минимальной и максимальной отметкой на корпусе.
- После запуска двигателя тосол начинает расширяться и его уровень в сосуде повышается, а воздушная прослойка сжимается. Клапан крышки остаётся герметичным.
- При достижении жидкостью рабочей температуры 90—95 °С и максимального увеличения в объёме давление в баке достигает порога срабатывания воздушного клапана (1—1,2 Бар или 120 кПа). Он открывается и сбрасывает воздух в атмосферу.
- В процессе остывания мотора наблюдается обратная картина — клапан пропускает воздух в обратную сторону до тех пор, пока количество антифриза не перестанет уменьшаться. Это предотвращает появление воздушных пробок в шлангах и радиаторах.
Устройство ёмкости довольно простое — корпус бачка закрыт пробкой со встроенным клапаном
В аварийной ситуации, когда тосол или вода по разным причинам начинает кипеть, предохранительный клапан сбрасывает не только воздух, но и пар.
![]()
Встроенный датчик подаёт сигнал о недостаточном уровне жидкости на панель приборов
В некоторых моделях автомобилей, например, ВАЗ 2110—2115 ёмкость оснащена второй горловиной, куда вкручивается датчик уровня охлаждающей жидкости. Если в силу поломки либо протечки какого-то узла антифриз начнёт вытекать наружу и его уровень в ёмкости упадёт до минимума, датчик сработает и предупредит водителя сигналом соответствующей лампочки на панели приборов.
Существуют автомобили (как отечественного производства, так и импортного), в которых расширительный бачок закрывается простой пробкой, не оснащённой клапаном и сообщающейся с атмосферой. В подобных системах функцию сброса давления и обратного впуска воздуха выполняет крышка основного радиатора, а резервуар только компенсирует расширение жидкости.
Крышка радиатора снабжается перепускным клапаном, направляющим излишек тосола в расширительный бак
Место бачка в охладительной системе
Ёмкость для компенсации расширяющегося антифриза может устанавливаться в разных местах, расположение зависит от марки автомобиля. Резервуар крепится к деталям кузова — лонжеронам и салонной перегородке с помощью резинового хомута либо специального кронштейна. Как правило, бачок ставится с той стороны, где находится верхний патрубок радиатора для его подключения.
Обычно ёмкость устанавливается ближе к патрубку радиатора
Существуют ёмкости на 2 и 3 штуцера. Последние присоединяются тремя шлангами к следующим агрегатам:
- Толстый патрубок, подключённый к нижнему штуцеру сосуда, соединяет его с основной магистралью контура охлаждения — малым кругом циркуляции жидкости, который всегда открыт. Увеличивающийся в объёме тосол поступает в бак именно по этому шлангу.
- Тонкая трубка, идущая от радиатора к верхнему штуцеру. Предназначена для сброса жидкости и пара из радиатора напрямую.
- Второй тонкий патрубок, подсоединённый к среднему штуцеру, идёт от радиатора салонного отопителя. Его задача такая же — отвод излишков антифриза и пара в ёмкость.
В резервуар на 3 штуцера поступают излишки антифриза из трёх агрегатов
Бачки, оснащённые двумя штуцерами, присоединяются к малому контуру циркуляции и основному радиатору охлаждения, подключение к печке отсутствует.
Расширительный резервуар является самой высокой точкой системы охлаждения мотора. Это сделано для того, чтобы жидкость из бачка могла перетечь в контур по закону сообщающихся сосудов. Когда уровень антифриза в ёмкости находится на 3—4 см выше риски Min на корпусе, все патрубки и агрегаты заполнены тосолом. В том числе самый высокий из них — контур охлаждения дроссельной заслонки.
Остатки воздуха из системы удаляются через патрубки подогрева дросселя
При заливке жидкости в водяную рубашку силового агрегата через расширительный бачок рекомендуется снимать патрубок охлаждения дросселя. Это позволяет вытолкнуть из магистралей и радиатора печки воздушные пробки.
Жидкости для заливки в бак
Нынешние автомобили, строящиеся с широким применением новых технологий, весьма требовательны ко всем технологическим жидкостям, в том числе и охлаждающей. Перечень требований такой:
- жидкость должна закипать при температуре не ниже 110 °С;
- порог замерзания — от минус 20 до —60 °С в зависимости от условий окружающей среды;
- отсутствие пенообразования при контакте с крыльчаткой насоса, минимальная вязкость;
- в составе жидкости должны быть неагрессивные присадки, препятствующие появлению накипи на металлических частях;
- химический состав не должен меняться в течение 3 лет или 60 тыс.
км пробега.
Тосол — чисто отечественный продукт, синтезированный во времена СССР
Всем перечисленным требованиям соответствует антифриз или тосол, что суть одно и то же. Название антифриз пошло от английского слова antifreeze, что в переводе означает «незамерзающая». Тосол — вещество, созданное на той же основе из этиленгликоля в бывшем СССР. Слово состоит из аббревиатуры ТОС (технология органического синтеза) и окончания «ол», присущего названиям химических препаратов.
Основа антифриза и тосола одинакова — вода + этиленгликоль в различных соотношениях. Отличия изделий от разных производителей может заключаться в пакете ингибирующих присадок, поэтому путать жидкости нежелательно. Фатальных последствий не наступит, но одни вещества могут нейтрализовать действие других и свойства «незамерзайки» ухудшатся. При этом цвет жидкости не играет роли — это всего лишь краситель.
Для заливки в бачок можно использовать дистиллированную воду в следующих ситуациях:
- для разбавки концентрата антифриза до нужной температуры замерзания;
- при аварийной ситуации — полной либо частичной потере охлаждающей жидкости в пути;
- с целью промывки.
Окраска антифриза не влияет на его свойства, важен пакет присадок
Дистиллированная (обессоленная) вода не отвечает указанным выше требованиям: она замерзает при нулевой температуре и кипит при 100 °С. Поэтому она заливается временно либо в качестве растворителя для антифриза.
Воду из-под крана, насыщенную солями, заливать в расширительный бачок недопустимо. Исключение — поломка и потеря тосола в пути и отсутствие поблизости автомагазина. Устраните течь, заполните охлаждающую систему водопроводной водой и доберитесь до гаража или СТО, после чего её немедленно слейте. Иначе на внутренних стенках водяной рубашки двигателя и других агрегатов образуются отложения, ухудшающие теплообмен.
Видео: жидкости для заливки в контур охлаждения автомобиля
О неисправностях и ремонте ёмкости
Во время эксплуатации машины могут возникнуть следующие поломки расширительного бачка;
Большинство автолюбителей при поломке клапана или корпуса попросту меняют деталь на новую. Это оправдано отсутствием времени на ремонт и дешевизной данных запчастей. Хотя при желании лопнувший пластик резервуара можно запаять, а крышку — разобрать и прочистить.
Потёки из-под пробки возникают при неплотном прилегании либо из-за конструктивных особенностей ёмкости. К примеру, на автомобилях ВАЗ 2110 струя из верхнего малого штуцера, подключённого к радиатору, бьёт прямо в горловину, отчего возникает протечка. Способ устранения — установка более совершенного бачка от «Приоры».
Видео: ремонт корпуса бачка
Расширительный бачок автомобиля считается одной из самых надёжных деталей. Нередко они служат весь срок эксплуатации машины, особенно на иномарках. Чтобы не пришлось менять ёмкость раньше времени, рекомендуется периодически проверять состояние клапана в крышке. Если он в порядке, то и пластик сосуда не лопнет от высокого давления.
- Автор: Сергей Сергеев
- Распечатать
(20 голосов, среднее: 4.2 из 5)
Поделитесь с друзьями! Adblockdetector
Охлаждающая жидкость не попадает в радиатор – техническое обслуживание/ремонт
Standardanders 1
Заметил, что в моем автомобиле перестал работать обогрев, поскольку при первой покупке он нагревался медленно. По совету члена семьи проверил радиатор на наличие охлаждающей жидкости, он был пуст, но бачок был на полной линии.
Заполнил вручную, нагрев так и не включился. Проверил бачок, теперь он перешел полную черту. Судя по датчику температуры на приборной панели двигатель не работает и не холодный. Жду предложений, с чего начать.
стандартандерс 2
Быстрое обновление:
Заменил крышку радиатора, проверил шланги охлаждающей жидкости, идущие к радиатору отопителя, оба после работы одинаково теплые. У Vitara 2004 года, похоже, нет клапана управления отопителем, который нужно было бы проверить.
the_same_mountainbike 3
Вы удалили воздух из системы?
1 Нравится
Тестер 4
Проблема, вероятно, в залипшем термостате в открытом положении.
Во-первых, нельзя дотрагиваться до шлангов отопителя, потому что, если бы работал термостат, можно было бы обжечься.
Во-вторых, если термостат застрял в открытом положении, охлаждающая жидкость не нагревается достаточно, чтобы создать давление, необходимое для подачи охлаждающей жидкости в бачок при выключенном двигателе. И если вы не создадите давление, вы не сможете создать вакуум, чтобы вернуть охлаждающую жидкость обратно в радиатор, когда двигатель остынет.
Тестер
Кавелл 5
Как долго он у тебя? Нагреватель был в порядке при запуске, а теперь радиатор пуст и тепло ушло, но датчик показывает, что двигатель не перегревается? С небольшим количеством охлаждающей жидкости?
стандартандерс 6
Воздух не удален. Я попробую
стандартов 7
Владею с октября, то есть всего несколько месяцев. Тепло работало сначала, но только после того, как проехал несколько миль (никогда на холостом ходу).
Радиатор в настоящее время не заполнен, как должен быть, доверху, но не перегревается по показаниям датчика, и я не заметил никаких других проблем с производительностью, которые я заметил.
the_same_mountainbike 8
Тестер:Во-вторых, если термостат застрял в открытом положении, охлаждающая жидкость не нагревается достаточно, чтобы создать давление, необходимое для подачи охлаждающей жидкости в бачок при выключенном двигателе.
![]()
Вы уверены, что сказали именно так, как хотели?
Охлаждающая жидкость создает давление только при прогреве. Он создает вакуум (не давление), когда двигатель выключен, а охлаждающая жидкость охлаждается и сжимается. Для создания вакуума не нужно было создавать давление. Наполните пластиковую бутылку горячей водой и поставьте ее на холодильник (не в морозильную камеру). По мере остывания бутылка будет сжиматься и втягивать стенки бутылки внутрь, даже не создавая давления.
Тестер 9
Тогда мы должны избавиться от того, что называется герметичным колпачком?
Тестер
the_same_mountainbike 10
Тестер:Тогда мы должны избавиться от того, что называется герметичным колпачком?
Нет.
Герметичная крышка позволяет системе создавать давление для повышения точки кипения охлаждающей жидкости. Он выпускает находящуюся под давлением и расширяющуюся жидкость в резервуар выше (обычно) от 15 до 16 фунтов на квадратный дюйм, снова закрываясь, когда давление падает ниже 15/16 фунтов на квадратный дюйм, поддерживая в системе заданное давление.
Обеспечивает свободный поток охлаждающей жидкости из резервуара обратно в двигатель, позволяя двигателю втягивать охлаждающую жидкость обратно в себя по мере охлаждения и падения давления и объема. Нагретое вещество расширяется, охлаждающееся вещество сжимается. Это происходит со всей материей. Одним из редких исключений из этого правила является вода при замерзании.
Тестер 11
Итак? Если термостат застрял в открытом положении, когда охлаждающая жидкость не достигает надлежащей рабочей температуры, как вы думаете, система охлаждения будет работать должным образом?
Тестер
gowest 12
Между тем, это еще один раз, когда может потребоваться замена крышки радиатора? Негерметичная крышка позволит охлаждающей жидкости выкипеть, не будет поддерживать вакуум для отвода охлаждающей жидкости из резервуара и приведет к тому, что описано в ОП.
the_same_mountainbike 13
Тестер:Итак? Если термостат застрял в открытом положении, когда охлаждающая жидкость не достигает надлежащей рабочей температуры, как вы думаете, система охлаждения будет работать должным образом?
- какое отношение это имеет к заданному вопросу? Или к моим постам?
- нет, не будет. Крышка радиатора может работать нормально, но двигатель не будет выделять достаточно тепла, чтобы охлаждающая жидкость превышала давление в крышке радиатора, и охлаждающая жидкость не будет поступать в бачок.
А охлаждающая жидкость закипит при слишком низкой температуре и двигатель перегреется.
Что произойдет, если Т-стат заклинит в открытом положении, при условии, что крышка радиатора работает правильно, так это то, что не будет движения охлаждающей жидкости от двигателя и радиатора (системы охлаждения) к резервуару и обратного отвода охлаждающей жидкости. в двигатель. Охлаждающая жидкость в системе будет расширяться по мере того, как двигатель прогревается до любой температуры, но создаваемое давление будет поддерживаться за счет способности крышки радиатора удерживать давление в двигателе и радиаторе. Поскольку охлаждающая жидкость охлаждается и сжимается после остановки двигателя, давление упадет, но не ниже уровня охлаждающей жидкости в бачке (при температуре окружающей среды). Поскольку давление в двигателе и радиаторе не упадет ниже давления в бачке, охлаждающая жидкость не будет поступать обратно в двигатель и радиатор.
Таким образом, давление в двигателе и радиаторе всегда будет одинаковым. Если оно превышает давление в резервуаре более чем на 15-16 фунтов на квадратный дюйм, крышка радиатора позволяет сбросить некоторое давление (хладагент) в резервуар, которое всегда будет равно температуре окружающей среды. Двигатель будет нормально работать при давлении выше, чем в резервуаре. По мере того как охлаждающая жидкость охлаждается и сжимается, крышка радиатора позволяет ей свободно втягивать охлаждающую жидкость обратно в двигатель, чтобы предотвратить повышение давления ниже давления в резервуаре.
По правде говоря, только если давление в двигателе/радиаторе (системе) падает ниже давления в резервуаре (окружающей среды), охлаждающая жидкость возвращается в двигатель. Если этого не происходит, все остается стабильным. Если ночью становится холодно, охлаждающая жидкость в системе сжимается и втягивает охлаждающую жидкость обратно в двигатель.
проницательный 14
the_same_mountainbik:Нагретая материя расширяется, охлаждающая материя сжимается. Это происходит со всей материей. Одним из редких исключений из этого правила является вода при замерзании.
Другим исключением является каучук.
Кроме того, вода на самом деле начинает расширяться, когда ее температура опускается ниже 39,2 градусов по Фаренгейту.
разблокирует4less 15
Привет, тестер, я только что купил охлаждающую машину, похожую на твою, опубликованную в другом посте. Мой был разобран, когда я купил его за колоссальные 30.00… лол, у вас все еще есть руководство или вы можете сфотографировать, как ваши шланги соединяются внутри? Любая помощь будет принята с благодарностью.
стандартандерс 16
Обновление:
Замена крышки радиатора позволила охлаждающей жидкости двигаться к радиатору должным образом, но я по-прежнему не нагревался
Выпустил воздух, все еще нет тепла
Заменил термостат и продул воздух, теперь у меня перегревается двигатель (и тепловатый жар из вентиляционных отверстий, предположительно из-за того, что двигатель прогрет), собираюсь проверить термостат как прокладку было не так уютно, как должно быть.
Дополнительное примечание: насколько я могу судить, утечки охлаждающей жидкости нет, и запаха охлаждающей жидкости в автомобиле нет, поэтому я совершенно уверен, что проблема не в радиаторе отопителя.
Тепловое расширение
КОНЦЕПЦИЯ
Большинство материалов подвержены тепловому расширению: тенденция к расширению при нагревании и сжатию при охлаждении. По этой причине мосты строятся с металлическими компенсаторами, чтобы они могли расширяться и сжиматься, не вызывая дефектов в общей конструкции моста. Другие машины и конструкции также имеют встроенную защиту от опасностей теплового расширения. Но тепловое расширение также может быть полезным, делая возможным работу термометров и термостатов.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ
Молекулярная поступательная энергия
В научных терминах тепло — это внутренняя энергия, которая течет из системы с относительно высокой температурой в систему с относительно низкой температурой. Сама внутренняя энергия, определяемая как тепловая энергия, — это то, что люди обычно имеют в виду, когда говорят «тепло». Тепловая энергия, форма кинетической энергии, обусловленная движением молекул, иногда называется молекулярной поступательной энергией.
Температура определяется как мера средней энергии поступательного движения молекул в системе, и, как мы увидим, чем больше изменение температуры для большинства материалов, тем больше величина теплового расширения. Таким образом, все эти аспекты «тепла» — само тепло (в научном смысле), а также тепловая энергия, температура и тепловое расширение — в конечном счете зависят от движения молекул относительно друг друга.
Молекулярное движение и ньютоновская физика
В общем, кинетическая энергия, создаваемая молекулярным движением, может быть понята в рамках классической физики, то есть парадигмы, связанной с сэром Исааком Ньютоном (1642-1727) и его законами движение. Ньютон был первым, кто понял физическую силу, известную как гравитация, и объяснил поведение объектов в контексте гравитационной силы. Среди понятий, необходимых для понимания ньютоновской физики, — масса объекта, скорость его движения (будь то скорость или ускорение) и расстояние между объектами. Все они, в свою очередь, являются центральными компонентами для понимания того, как молекулы при относительном движении генерируют тепловую энергию.
Чем больше импульс объекта, то есть произведение его массы на его скорость, тем большее воздействие он оказывает на другой объект, с которым сталкивается. Тем больше его кинетическая энергия, равная половине его массы, умноженной на квадрат его скорости. Масса молекулы, конечно, очень мала, но если все молекулы внутри объекта находятся в относительном движении — многие из них сталкиваются и, таким образом, передают кинетическую энергию, — это должно приводить к относительно большому количеству теплового излучения. энергии со стороны более крупного объекта.
Молекулярное притяжение и фазы материи
Тем не менее, именно из-за того, что молекулярная масса настолько мала, гравитационная сила сама по себе не может объяснить притяжение между молекулами. Вместо этого это притяжение следует понимать с точки зрения второго типа силы — электромагнетизма, — открытого шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831–1879).
Подробная информация об электромагнитной силе отсутствует Поскольку сталь имеет относительно высокий коэффициент теплового расширения, стандартные железнодорожные пути сконструированы таким образом, чтобы они могли безопасно расширяться в жаркий день, не сходя с рельсов поезда, движущиеся по ним.
важно здесь; необходимо только знать, что все молекулы обладают некоторой составляющей электрического заряда. Поскольку одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные притягиваются, между молекулами существует постоянное электромагнитное взаимодействие, что приводит к различной степени притяжения.
Чем больше относительное движение между молекулами, вообще говоря, тем меньше их притяжение друг к другу. Действительно, эти два аспекта материала — относительное притяжение и движение на молекулярном уровне — определяют, можно ли классифицировать этот материал как твердое, жидкое или газообразное. Когда молекулы медленно движутся по отношению друг к другу, они оказывают сильное притяжение, и материал, частью которого они являются, обычно классифицируется как твердое тело. Молекулы жидкости, с другой стороны, движутся с умеренными скоростями и, следовательно, оказывают умеренное притяжение. Когда молекулы движутся с высокой скоростью, они практически не притягиваются, и этот материал известен как газ.
Прогнозирование теплового расширения
Коэффициент линейного расширения
Коэффициент — это число, которое служит мерой некоторой характеристики или свойства. Это также может быть фактором, на который умножаются другие значения для получения желаемого результата. Для любого типа материала можно
Мужчина подледная рыбалка в Монтане. Из-за уникальных свойств теплового расширения воды лед образуется в верхней части озера, а не на дне, что позволяет морским обитателям продолжать жить под его поверхностью зимой.
рассчитать степень расширения или сжатия материала при изменении температуры. В общих чертах это известно как его коэффициент расширения, хотя на самом деле существует две разновидности коэффициента расширения.
Коэффициент линейного расширения — это константа, определяющая степень изменения длины твердого тела в результате изменения температуры. Для любого данного вещества коэффициент линейного расширения обычно представляет собой число, выраженное в виде 10- 5/°С. Другими словами, значение коэффициента линейного расширения конкретного твердого тела умножается на 0,00001 на градус Цельсия. (°C в знаменателе, показанном в уравнении ниже, просто «выпадает», когда коэффициент
линейное расширение умножается на изменение температуры.)
Для кварца коэффициент линейного расширения равен 0,05. Напротив, железо с коэффициентом 1,2 в 24 раза чаще расширяется или сжимается в результате изменений температуры. (Сталь имеет ту же ценность, что и железо.) Коэффициент для алюминия равен 2,4, что вдвое больше, чем для железа или стали. Это означает, что одинаковое изменение температуры приведет к вдвое большему изменению длины алюминиевого стержня, чем железного стержня. Свинец является одним из самых дорогих твердых материалов с коэффициентом 3,0.
Расчет линейного расширения
Линейное расширение данного твердого тела можно рассчитать по формуле δL = aLOΔT. Греческая буква дельта (d) означает «изменение»; следовательно, первая цифра представляет собой изменение длины, а последняя цифра в уравнении — изменение температуры. Буква а — это коэффициент линейного расширения, а LO — исходная длина.
Предположим, что свинцовый стержень длиной 5 м подвергается изменению температуры на 10°C; как изменится его длина? Чтобы ответить на этот вопрос, a (3,0 • 10-5/°C) нужно умножить на LO (5 м) и 8T (10°C). Ответ должен быть 150 и 10-5 м или 1,5 мм. Обратите внимание, что это просто изменение длины, связанное с изменением температуры: при повышении температуры длина увеличивается, а при понижении температуры на 10°С длина уменьшается на 1,5 мм.
расширение тома. Очевидно, что линейные уравнения применимы только к твердым телам. Жидкости и газы, классифицируемые вместе как жидкости, соответствуют форме своего сосуда; следовательно, «длина» любого данного образца жидкости такая же, как и у содержащего его твердого тела. Однако жидкости подвержены объемному расширению, то есть изменению объема в результате изменения температуры.
Для расчета изменения объема используется та же формула, что и для изменения длины; отличаются лишь некоторые детали. В формуле 8V = bVO8T последний член, опять же, означает изменение температуры, тогда как 8V означает изменение объема, а VO — первоначальный объем. Буква b обозначает коэффициент объемного расширения. Последнее выражается в единицах 10-4/°С, или 0,0001 на °С. 9Стекло 0175 имеет очень низкий коэффициент объемного расширения, 0,2, а у стекла Pyrex чрезвычайно низкий — всего 0,09. По этой причине изделия из пирекса идеально подходят для приготовления пищи. Значительно выше коэффициент объемного расширения глицерина, маслянистого вещества, связанного с мылом, которое пропорционально увеличивается в 5,1 раза. Еще выше этиловый спирт с коэффициентом объемного расширения 7,5.
РЕАЛЬНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Жидкости
Большинство жидкостей следуют довольно предсказуемой схеме постепенного увеличения объема в ответ на повышение температуры и уменьшения объема в ответ на снижение температуры. Действительно, коэффициент объемного расширения жидкости, как правило, выше, чем у твердого тела, и — за одним заметным исключением, которое обсуждается ниже — жидкость будет сжиматься при замерзании.
Поведение бензина, перекачиваемого в жаркий день, представляет собой пример теплового расширения жидкости в ответ на повышение температуры. Когда он поступает из своего подземного бака на заправке, бензин относительно прохладный, но он согреется, сидя в баке уже теплой машины. Если бак автомобиля заполнен, а транспортное средство оставлено стоять на солнце — другими словами, если автомобиль не едет после того, как бак заполнен, — бензин вполне может расширяться в объеме быстрее, чем топливный бак, вытекая на тротуар. .
Охлаждающая жидкость двигателя
Другой пример теплового расширения со стороны жидкости можно найти внутри радиатора автомобиля. Если в холодный день радиатор «долить» охлаждающей жидкостью, повышение температуры вполне может привести к тому, что охлаждающая жидкость расширится до перелива. В прошлом это создавало проблему для автовладельцев, поскольку двигатели автомобилей выбрасывали на землю лишний объем охлаждающей жидкости, что требовало периодической замены жидкости.
Автомобили более поздних моделей, однако, имеют переливной резервуар для сбора жидкости, высвобождаемой в результате расширения объема. По мере того, как двигатель снова остывает, емкость возвращает лишнюю жидкость в радиатор, тем самым «перерабатывая» ее. Это означает, что новые автомобили гораздо менее склонны к перегреву, чем старые автомобили. В сочетании с улучшениями в смесях жидкостей радиатора, которые действуют как антифриз в холодную погоду и охлаждающую жидкость в жару, процесс «рециркуляции» привел к значительному снижению поломок, связанных с тепловым расширением.
Вода
Одной из веских причин не использовать чистую воду в радиаторе является то, что вода имеет гораздо более высокий коэффициент объемного расширения, чем обычная охлаждающая жидкость двигателя. Это может быть особенно опасно в холодную погоду, потому что замерзшая вода в радиаторе может расшириться настолько, что может привести к растрескиванию блока цилиндров.
В целом вода, коэффициент объемного расширения которой в жидком состоянии составляет 2,1, а в твердом состоянии 0,5, проявляет ряд интересных характеристик в том, что касается теплового расширения. Если температура кипения воды снижается с 212°F (100°C) до 390,2 ° F (4 ° C) он будет постоянно сжиматься, как и любое другое вещество, реагирующее на падение температуры. Однако обычно вещество продолжает уплотняться по мере того, как оно превращается из жидкого в твердое; но с водой этого не происходит.
При температуре 32,9°F вода достигает максимальной плотности, а это означает, что ее объем для данной единицы массы минимален. Ниже этой температуры он «должен» (если бы он был похож на большинство типов материи) продолжать уменьшаться в объеме на единицу массы, но на самом деле он неуклонно начинает расширяться. Таким образом, он менее плотный, с большим объемом на единицу массы, когда достигает точки замерзания. Именно по этой причине, когда зимой трубы замерзают, они часто лопаются, что объясняет, почему заполненный водой радиатор может стать серьезной проблемой в очень холодную погоду.
Кроме того, это необычное поведение в отношении теплового расширения и сжатия объясняет, почему лед плавает: твердая вода менее плотна, чем жидкая вода под ней. В результате замерзшая вода зимой остается на поверхности озера; поскольку лед является плохим проводником тепла, энергия не может выйти из воды под ним в количестве, достаточном для замораживания остальной воды озера. Таким образом, вода подо льдом остается жидкой, сохраняя жизнь растений и животных.
Газы
Газовые законы
Как уже говорилось, жидкости расширяются в большей степени, чем твердые тела. Учитывая увеличение молекулярной кинетической энергии жидкости по сравнению с твердым телом и газа по сравнению с жидкостью, неудивительно, что газы реагируют на изменения температуры еще большим изменением объема. чем у жидкостей. Конечно, когда речь идет о газе, «объем» измерить труднее, потому что газ просто расширяется, чтобы заполнить свой сосуд. Чтобы термин имел какое-либо значение, необходимо также указать давление и температуру.
Ряд газовых законов описывает три параметра газов: объем, температуру и давление. Закон Бойля, например, гласит, что в условиях постоянной температуры существует обратная зависимость между объёмом и давлением газа: чем больше давление, тем меньше объём, и наоборот. Еще более актуальным для темы теплового расширения является закон Шарля.
Закон Шарля гласит, что при постоянном давлении существует прямая зависимость между объемом и температурой. При нагревании газа его объем увеличивается, а при охлаждении соответственно уменьшается. Таким образом, если наполнить надувной матрас в кондиционируемом помещении, а затем взять его на пляж в жаркий день, воздух внутри расширится. В зависимости от того, насколько увеличивается его объем, расширение горячего воздуха может привести к тому, что матрас «лопнет».
Объемные газовые термометры
В то время как жидкости и твердые вещества значительно различаются по своим коэффициентам расширения, большинство газов имеют более или менее одинаковый характер расширения в ответ на повышение температуры. Предсказуемое поведение газов в этих ситуациях привело к разработке постоянного газового термометра, очень надежного прибора, по которому часто измеряют другие термометры, в том числе содержащие ртуть (см. Ниже).
В объемном газовом термометре к стеклянной трубке, содержащей ртуть, присоединен пустой сосуд. Когда газ высвобождается в пустой контейнер, это заставляет столбик ртути двигаться вверх. Разница между прежним положением ртути и ее положением после введения газа показывает разницу между нормальным атмосферным давлением и давлением газа в сосуде. Тогда можно использовать изменения объема газа как меру температуры. Реакция большинства газов в условиях низкого давления на изменение температуры настолько однородна, что объемные газовые термометры часто используются для калибровки других типов термометров.
Твердые тела
Многие твердые тела состоят из кристаллов правильной формы, состоящих из молекул, соединенных друг с другом, как на пружинах. Пружина, которая оттягивается назад непосредственно перед тем, как ее отпустить, является примером потенциальной энергии, или энергии, которой объект обладает в силу своего положения. Для кристаллического твердого тела при комнатной температуре потенциальная энергия и расстояние между молекулами относительно малы. Но по мере повышения температуры и расширения твердого тела пространство между молекулами увеличивается, как и потенциальная энергия в твердом теле.
На самом деле реакции твердых тел на изменения температуры имеют тенденцию быть более резкими, по крайней мере, когда они наблюдаются в повседневной жизни, чем поведение жидкостей или газов в условиях
Термическое расширение
Конечно, твердые вещества на самом деле меньше реагируют на изменения температуры, чем жидкости; но поскольку они являются твердыми телами, люди ожидают, что их контуры будут неподвижны. Таким образом, когда объем твердого тела изменяется в результате увеличения тепловой энергии, результат более примечательный.
Крышки для банок и линии электропередач
Повседневный пример теплового расширения можно увидеть на кухне. Почти у каждого был опыт безуспешных попыток сдвинуть с места тугую металлическую крышку стеклянного сосуда, и после обливания горячей водой крышка обнаруживала, что она поддается и наконец открывается. Причина этого в том, что высокая температура воды вызывает расширение металлической крышки. С другой стороны, стекло, как отмечалось ранее, имеет низкий коэффициент расширения. В противном случае он расширился бы вместе с крышкой, что лишило бы смысла пропускать через него горячую воду. Если бы стеклянные банки имели высокий коэффициент расширения, они деформировались бы при воздействии относительно низких уровней тепла.
Другим примером теплового расширения в твердом теле является провисание линий электропередач в жаркий день. Это происходит потому, что тепло заставляет их расширяться, и, таким образом, длина линии электропередачи от полюса к полюсу больше, чем в условиях более низких температур. Крайне маловероятно, конечно, что летняя жара может быть настолько сильной, чтобы создать опасность обрыва линий электропередач; с другой стороны, тепло может создать серьезную угрозу для более крупных конструкций.
Компенсаторы
Большинство больших мостовидных протезов имеют компенсационные швы, которые выглядят скорее как две металлические гребенки, обращенные друг к другу с зацепленными зубьями. Когда тепло заставляет мост расширяться в солнечные часы жаркого дня, две стороны компенсационного шва движутся навстречу друг другу; затем, по мере остывания моста после наступления темноты, они начинают постепенно втягиваться. Таким образом, мост имеет встроенную зону безопасности; в противном случае у него не было бы места для расширения или сжатия в ответ на изменения температуры. Что касается использования гребенчатой формы, то зазор между двумя сторонами компенсатора смещается в шахматном порядке, что сводит к минимуму неровности, с которыми сталкиваются автомобилисты, когда они проезжают по нему.
Компенсаторы другой конструкции можно встретить и на автомагистралях, и на «магистралях» железных дорог. Термическое расширение является особенно серьезной проблемой, когда речь идет о железнодорожных путях, поскольку пути, по которым движутся поезда, сделаны из стали
Сталь, как отмечалось ранее, расширяется в 12 частей на 1 миллион на каждый градус Цельсия. степень изменения температуры, и хотя это может показаться незначительным, в условиях высокой температуры это может создать серьезную проблему.
Большинство гусениц построено из кусков стали, поддерживаемых деревянными шпалами и уложенных с зазором между концами. Этот зазор обеспечивает буфер для теплового расширения, но есть еще один момент, который следует учитывать: гусеницы прикручены болтами к деревянным шпалам, и если сталь слишком сильно расширится, она может вырвать эти болты. Следовательно, вместо того, чтобы помещаться в отверстие того же размера, что и болт, болты вставляются в пазы, так что остается место для медленного скольжения гусеницы на месте при повышении температуры.
Такое расположение удобно для поездов, которые движутся с обычной скоростью: их колеса просто издают шум, когда они проходят через промежутки, которые редко бывают шире 0,5 дюйма (0,013 м). Однако высокоскоростной поезд не может двигаться по неровным путям; поэтому пути для скоростных поездов прокладывают в условиях относительно высокого натяжения. Гидравлическое оборудование используется для натяжения секций пути; затем, как только гусеница закреплена на месте вдоль шпал, натяжение распределяется по всей длине гусеницы.
Термометры и термостаты
Ртуть в термометрах
Термометр измеряет температуру путем измерения свойства, зависящего от температуры. Термостат, напротив, представляет собой устройство для регулировки температуры системы отопления или охлаждения. Оба используют принцип теплового расширения в своей работе. Как было отмечено выше в примере с металлической крышкой и стеклянной банкой, стекло мало расширяется при изменении температуры; следовательно, он является идеальным контейнером для ртути в термометре. Что касается ртути, то она является идеальной термометрической средой, то есть материалом, используемым для измерения температуры, по нескольким причинам. Среди них высокая температура кипения и очень предсказуемая однородная реакция на изменения температуры.
В типичном ртутном термометре ртуть помещена в длинную узкую герметичную трубку, называемую капилляром. Поскольку ртуть расширяется гораздо быстрее, чем стеклянный капилляр, она поднимается и опускается в зависимости от температуры. Калибровка термометра производится путем измерения разницы в высоте между ртутным столбиком при температуре замерзания воды и ртутным столбиком при температуре кипения воды. Интервал между этими двумя точками затем делится на равные приращения в соответствии с одной из известных температурных шкал.
КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ
Коэффициент: Число, которое служит мерой некоторой характеристики или свойства. Коэффициент также может быть фактором, на который умножаются другие значения для получения желаемого результата.
Коэффициент линейного расширения: Постоянная величина для любого конкретного типа твердого тела, используемая при расчете величины, на которую длина этого твердого тела изменится в результате изменения температуры. Для любого данного вещества коэффициент линейного расширения обычно представляет собой число, выраженное в единицах 10-5/°C.
Коэффициент объемного расширения: Постоянная величина для любого конкретного типа материала, используемая при расчете величины, на которую объем этого материала изменится в результате изменения температуры. Для любого данного вещества коэффициент объемного расширения обычно представляет собой число, выраженное в единицах 10-4/°C.
Тепло: Внутренняя тепловая энергия, перетекающая от одного тела материи к другому.
Кинетическая энергия: Энергия, которой объект обладает благодаря своему движению.
Молекулярная поступательная энергия: Кинетическая энергия в системе, создаваемая движением молекул друг относительно друга.
Потенциальная энергия: Энергия, которой объект обладает благодаря своему положению.
Система: В физике термин «система» обычно относится к любому набору физических взаимодействий или к любому материальному телу, изолированному от остальной Вселенной. Все, что находится за пределами системы, включая все факторы и силы, не имеющие отношения к обсуждению этой системы, известно как окружающая среда.
Температура: Мера средней кинетической энергии или молекулярной поступательной энергии в системе. Различия в температуре определяют направление потока внутренней энергии между двумя системами при передаче тепла.
Тепловая энергия: Тепловая энергия, форма кинетической энергии, возникающая при движении атомных или молекулярных частиц. Чем больше движение этих частиц, тем больше тепловая энергия.
Термическое расширение: Свойство всех типов материи, проявляющее тенденцию к расширению при нагревании и сжатию при охлаждении.
Биметаллическая пластина в термостатах.
В термостате центральным компонентом является биметаллическая полоса, состоящая из тонких полосок из двух разных металлов, расположенных спиной к спине. Один из этих металлов имеет высокий коэффициент линейного расширения, а другой металл имеет низкий коэффициент. Повышение температуры приведет к тому, что сторона с более высоким коэффициентом расширится больше, чем сторона, которая менее чувствительна к изменениям температуры. В результате биметаллическая полоса будет прогибаться в одну сторону.
Когда полоска изгибается достаточно сильно, она замыкает электрическую цепь и, таким образом, приводит в действие кондиционер. Регулируя термостат, можно изменить расстояние, на которое должна быть изогнута биметаллическая полоса, чтобы замкнуть цепь. Как только воздух в помещении достигнет нужной температуры, высококоэффициентный металл начнет сжиматься, а биметаллическая полоса выпрямится. Это приведет к размыканию электрической цепи и отключению кондиционера.