線性熱膨脹計算機(ΔL = αL₀ΔT)
線性熱膨脹公式 ΔL = α · L₀ · ΔT 描述固體加熱或冷卻時長度嘅變化。揀預設材料即刻載入典型 α;亦可手動輸入自訂值。常用於設計橋樑同管道伸縮縫、鐵軌間距、精密儀器溫度補償等。
Enter a valid initial length (> 0), temperature change and expansion coefficient.
Results
Length change ΔL
—
New length L = L₀ + ΔL
—
Linear strain ε = ΔL ⁄ L₀
—
Dimensionless ratio — multiply by 100 % for the percentage form.
This is the *linear* form, assuming an isotropic material under uniform heating. Across wide temperature ranges or near a phase change, α stops being constant and a table / α(T) function should be used instead.
Formula
ΔL = α · L₀ · ΔT ε = ΔL ⁄ L₀ = α · ΔT (線性應變,無單位) β ≈ 3α (體膨脹近似,等向同性固體)
- · 單位提示:α 通常以 × 10⁻⁶ /K(亦稱 ppm/K)報出;本工具輸入框已採用此單位。K 同 °C 嘅變化量數值一樣,所以 ΔT 可以填攝氏溫差。
- · 典型 α(× 10⁻⁶ /K,~20 °C):殷鋼 1.2、Pyrex 玻璃 3.3、橡木順紋 4.9、窗玻璃 9、鑄鐵 11、碳鋼 / 鐵軌 12、混凝土 12、黃金 14、銅 16.5、不鏽鋼 17、黃銅 18.7、鋁 23.1、PVC 52。
- · 工程應用:100 m 鐵軌升 30 °C 會膨脹 ~36 mm — 解釋點解鐵軌之間要留 expansion gap(HKMTR 連續焊接鋼軌靠夾緊應力代替伸縮縫)。橋樑同高架公路通常每 30–50 m 設一個伸縮縫。
- · 材料配搭警示:唔同 α 嘅材料貼合會喺溫差下產生剪應力(bimetallic strip 嘅工作原理);玻璃 + 金屬封口、IC 封裝、複合材料皆要注意 CTE mismatch。低 CTE 嘅 Invar、Kovar 同 Pyrex 就係為咗呢個目的而設計。
- · 失效注意:公式為「線性」項;寬溫域(> 200 K 變化)或相變附近 α 並非常數,要查 α(T) 表。非等向材料(木紋、單晶矽、複合層板)三個方向嘅 α 唔同,要用張量處理。
- · 參考:Callister & Rethwisch, "Materials Science and Engineering", 10th ed., Ch. 17;NIST WebBook material property tables;ASHRAE Handbook 2021(管道熱補償設計)。
Frequently asked
點解鐵路工程師咁緊張熱膨脹?
因為鐵路嘅典型 ΔL 並非微不足道。100 m 一段碳鋼鐵軌,由冬天 0 °C 升到夏天 50 °C(50 K 變化)會膨脹 ≈ 60 mm — 而軌道本身係剛性嘅,唔俾佢膨脹就會以巨大壓應力形式累積。如果壓應力超過鋼軌喺嗰個溫度下嘅屈服強度,就會出現「軌道扭曲」(track buckle):鋼軌橫向彎曲幾米,列車一過就出軌。歷史上多次嚴重出軌事故都同高溫天扭曲有關,例如 2002 年澳洲 Hither Green、2013 年美國 Massachusetts 事故等。應對方法有兩種:(1) 傳統做法 — 軌間留 10–25 mm 嘅伸縮縫,讓鋼軌自由膨脹;(2) 現代做法 — 連續焊接鋼軌(CWR),用混凝土枕木 + 夾扣將軌條固定喺「中和溫度」(通常 25–30 °C)狀態,加熱時靠夾緊力抑制屈曲,冷卻時靠拉應力抑制裂紋。HK MTR、英國 Network Rail 同日本 JR 都用 CWR。
點樣決定混凝土樓 / 橋樑要設幾多個伸縮縫?
基本邏輯一樣:估算最壞情況嘅 ΔL,再用「容許嘅最大張力 / 應變」反推最大可接受嘅連續長度。對於混凝土(α ≈ 12 × 10⁻⁶ /K),假設夏冬之間構件溫度變化 30 °C,每 30 m 混凝土會膨脹 ≈ 10 mm — 如果加埋乾縮(shrinkage)同潛變(creep),實際可能要應付 15–25 mm/30 m。標準做法(ACI 318、Eurocode 2、香港屋宇署 Code of Practice):(1) 高層住宅樓嘅長條形構件每 40–60 m 設一個伸縮縫;(2) 預力混凝土橋樑每 30–50 m 一個;(3) 鋼結構橋樑可以間隔到 100 m(鋼 α 同混凝土相近但延展性高)。實際設計仲要考慮:橋台 / 支座位移容量、聚氨酯 / 鋼指狀伸縮縫嘅最大行程、地震位移要求等。土木工程師會做完整嘅熱機分析模擬同等效溫度梯度(ΔTM、ΔTN)情境後再敲定。
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