При изменении температуры тела и вещества изменяют свои размеры; это можно использовать, в частности для создания напряжений, механических усилий.
В вепольной форме это записывается так:
Вещество (инструмент) B2 преобразует тепловое поле Пт в механическое, действующее на вещество (изделие) В1. Подобные структуры получили в вепольном анализе название теполей. Пт может быть как «полем нагревания», так и «полем охлаждения», а В2 может находиться в любом агрегатном состоянии. Различными могут быть и физические процессы, происходящие в В2. Чаще всего в теполях используют тепловое расширение и фазовые переходы.
Тепловое расширение (ТР). В простейшем случае ТР твердотельного металлического В2 применяют для небольших, но точных (доли микрометра) перемещений. Так, микроперемещение осуществляют, нагревая пружины, оттягивающие стол станка. Обратное применение ТР: измерение температуры по величине теплового удлинения (например, в термометрах). При измерении температуры подвижного B1 подвижным должно быть и В2 (инструмент).
Пример. Для теплового удлинения стержней требуется время. Как быть, если необходимо срабатывание в доли секунды? Предложено использовать сжатие стержней, предварительно растянутых нагревом и закрепленных в нагретом состоянии. В нужный момент освобожденный стержень сразу укорачивается. Нагрев есть и его как бы нет — он произведен заранее (а. с. 651208).
При нагревании пластинки происходит увеличение ее площади, в том числе и площади отверстий. Примеры: по а. с. 476450 дозировку малых количеств газа ведут, нагревая капилляр, через который перетекает газ; по а. с. 309758 используют ТР для извлечения оправки после волочения трубы.
ТР способно создавать весьма значительные усилия. Примеры: прессование (а. с. 236279), тепловой двигатель (33642Т), стяжка разъемного индуктора (711707) и т. д. При достаточно больших (или очень быстрых) изменениях температуры ТР можно использовать для разрушения веществ. Рабочим телом при использовании ТР могут быть любые вещества: металлы, неметаллы, жидкости и газы.
Сдвоенный эффект (би-эффект) Если В состоит из двух веществ B’2 и В"2 с разными коэффициентами теплового расширения, возникают новые явления, обусловленные взаимодействием изменяющихся B’2 и В"2.. Следует отметить, что многие физэффекты относятся к числу би-эффектов, например, преломление света при прохождении через границу двух сред, возникновение биений при сложении двух близких по частоте колебаний и т. д. Простейшее применение би-эффекта ТР — изгиб формы стержней. В а. с. 247159: с целью регулирования угла кривизны ствола при бурении используют полиметаллический отклонитель и изменяют его температуру.
Би-эффект ТР позволяет получать значительные отклонения при сравнительно небольших перепадах температуры. Это особенно ценно для различных саморегулирующихся устройств. Так, в а. с. 383430 описана рама для проветривания теплиц, которую биметаллические пластины наклоняют в зависимости от изменения температуры воздуха. Аналогичные устройства используют и в саморегулируемых жалюзи радиаторов.
Фазовый переход первого рода (ФП-1). Типичный случай: «Способ изготовления ребристых труб, заключающийся в раздаче заглушенных труб водой, подаваемой под давлением, отличающийся тем, что с целью ускорения процесса изготовления подаваемую под давлением воду замораживают» (а. с. 190855).
Увеличение объема происходит и при застывании висмута. По а. с. 344197 «…герметизирующее устройство выполнено в виде полой кольцевой гибкой камеры, размещенной между дисками и заполненной материалом, меняющим свой объем при переходе из одного агрегатного состояния в другое, например, висмутом».
Металлокерамические режущие пластины, примороженные к резцу, не только прочно держатся и легко заменяются, но и не нуждаются в подводе смазочно-охлаждающей жидкости. Это — один из многих примеров использования ФП-1 для временного крепления деталей (а. с. 190855).
ФП-1 может быть использован для перемещения тяжелых объектов: «Способ монтажа тяжелых конструкций путем опускания их на рабочее место, отличающийся тем, что с целью упрощения процесса монтажа под конструкцией возводят колонны из природных веществ — льда, соли, которые затем у основания растапливают и растворяют, обеспечивая тем самым уменьшение длины колонн с одновременным опусканием конструкции» (а. с. 194294).
Фазовый переход второго рода (ФП-2). ФП-2 — аллотропическое превращение. Пример: «Способ преобразования тепловой энергии в механическую…, отличающийся тем, что тело, изготовленное из материала со скачкообразным изменением термодинамических свойств, например, из хрома с критической температурой +37 °С, периодически нагревают до температуры скачка, после чего изменяют температуру в какую-либо сторону» (а. с. 280104). Применение: термометры (а. с. 263209), двигатели (а. с. 266471).
Механизм действия нитинола (сплав никеля с титаном) — материала, обладающего «эффектом памяти формы», также сводится к ФП-2. Основное преимущество нитино-ла — возможность получения значительных изменений формы, конфигурации деталей при небольшом перепаде температур.
Примеры применения: компрессор (а. с. 464709), саморегулирующийся дроссель (а. с. 534617), привод управления клапанами (а. с. 583347), инструмент для развальцовки труб (а. с. 647041).
Таким образом, тепловое поле может применяться для следующих целей:
· небольших, но точных перемещений;
· измерения температуры;
· управления положением и взаимодействием элементов технических систем;
· регулировки зазоров, отверстий и т. д., герметизации;
· соединения и разъединения деталей, их временного крепления;
· изгиба стержней и пластин;
· саморегулирования элементов технических систем;
· создания напряжения в материалах и конструкциях, преобразования тепловой энергии в механическую;
· деформации;
· разрушения материалов;
· перемещения (спуска, укладки) тяжелых объектов;
· создания повышенного газового давления (без машин);
· самоудаления монтажных деталей и веществ, используемых для обработки;
· восстановления первоначальной формы деформированного объекта.