Влияние температуры на конструкционные материалы и на РЭС

Характеристика температуры

Основные понятия

Согласно кинетической теории температурой называют физическую величину, количественно характеризующую меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества [4].

В равновесном состоянии температура имеет одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе два тела имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи кинетической энергии частиц (тепла). Если же существует разница температур, то тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, потому что суммарная энтропия при этом возрастает.

В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура выражается в кельвинах, температура Цельсия — в градусах. На практике часто применяют градусы Цельсия из-за привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда (0° C) и температуре кипения (100° C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связанных с этим диапазоном. Также существуют и другие шкалы температур [4].

Основные шкалы температур

В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Пересчет градусов Кельвина в градусы Цельсия:

˚С = ˚K − 273,15;

где ˚С – градус Цельсия, ˚K – градус Кельвина.

За ноль по шкале Цельсия принималась точка плавления льда, а за 100° — точка кипения воды при стандартном атмосферном давлении. (Изначально Андерсом Цельсием в 1742 г. за 100° принял температуру таяния льда, а за 0° — температуру кипения воды, и лишь позднее, его современник Карл Линней «перевернул» эту шкалу). Эта шкала линейна в интервале 0—100° и так же линейно продолжается в области ниже 0° и выше 100°. Линейность является основной проблемой при точных измерениях температуры. Достаточно упомянуть, что классический термометр, заполненный водой, невозможно разметить для температур ниже 4 градусов Цельсия, так как в этом диапазоне вода начинает снова расширяться.

Первоначальное определение градуса Цельсия зависело от определения стандартного атмосферного давления, потому что и температура кипения воды и температура таяния льда зависят от давления. Это не очень удобно для стандартизации единицы измерения. Поэтому после принятия кельвина, в качестве основной единицы измерения температуры, определение градуса Цельсия было пересмотрено.

Согласно современному определению, градус Цельсия равен одному кельвину, а ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. В итоге, шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15:

Долгое время шкала Фаренгейта была основной в англоговорящих странах, но в конце 1960-х — начале 1970-х годов она была практически вытеснена шкалой Цельсия. На сегодняшний день шкала Фаренгейта до сих пор широко используется в бытовых целях только в США и на Ямайке.

Шкала названа в честь предложившего её в 1724 году немецко-польского учёного Габриеля Фаренгейта.

В настоящее время, принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F.

На шкале Фаренгейта точка таяния льда равна +32 °F, а точка кипения воды +212 °F (при нормальном атмосферном давлении). При этом один градус Фаренгейта равен 1/180 разности этих температур. Диапазон 0°…+100° по шкале Фаренгейта примерно соответствует диапазону −18°…+38° по шкале Цельсия. Ноль на этой шкале определяется по температуре замерзания смеси воды, льда и нашатыря, а за 100 °F принята нормальная температура человеческого тела.

Один градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия, а температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия следующими формулами:

Пересчет градусов Цельсия в градусы Фаренгейта:

Пересчет градусов Фаренгейта в градусы Цельсия:

Градус Реомюра (°R) — не употребляемая в наши дни единица измерения температуры. В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Для обеспечения единства измерений температуры в качестве международного стандарта была принята Международная температурная шкала (МТШ-90). Основные изменения в шкале связаны с изменением температур реперных точек, расширением диапазона определения шкалы, введением новых интерполяционных приборов и новых методик построения интерполяционных зависимостей для платиновых термометров сопротивления [4].

Влияние температуры на конструкционные материалы и на РЭС

Влияние низких и высоких температур на свойства материалов в большинстве случаев носит диаметрально противоположный характер. Тепловые воздействия возникают как снаружи системы - солнечная радиация, тепло от близко расположенных источников, так и внутри системы - выделение тепла электронными схемами, при трении механических узлов, химической реакции и др. Особенно вреден нагрев узлов при повышенной влажности окружающей среды, а также при циклическом изменении этих факторов.

Таблица 2 – Основные характеристики климатических районов

Различают три вида тепловых воздействий:

Непрерывное. Рассматривают при анализе надежности систем, работающих в стационарных условиях.

Периодическое. Рассматривают при анализе надежности систем при повторно-кратковременном включении аппаратуры и изделий под нагрузку и при резких колебаниях условий эксплуатации, а также при суточном изменении внешней температуры.

Апериодическое. Оценивают при работе изделий в условиях теплового удара, следствием чего являются внезапные отказы [4].

Дата добавления: 2015-07-08