الإجهاد الحراري

في الميكانيكا والديناميكا الحرارية ، يُعرف الإجهاد الحراري بأنه إجهاد ميكانيكي ينشأ عن أي تغير في درجة حرارة المادة. يمكن أن تؤدي هذه الإجهادات إلى التصدع أو التشوه اللدن، وذلك تبعًا لمتغيرات التسخين الأخرى، بما في ذلك أنواع المواد والقيود المفروضة عليها. ^{[ 1 ]} تُعد تدرجات درجة الحرارة ، والتمدد أو الانكماش الحراري، والصدمات الحرارية من العوامل التي تُسبب الإجهاد الحراري. يعتمد هذا النوع من الإجهاد بشكل كبير على معامل التمدد الحراري الذي يختلف من مادة إلى أخرى. بشكل عام، كلما زاد التغير في درجة الحرارة، زاد مستوى الإجهاد الذي يمكن أن يحدث. قد تنتج الصدمة الحرارية عن تغير سريع في درجة الحرارة، مما يؤدي إلى التصدع أو التفتت.

عند تسخين أو تبريد مادة ما بسرعة، يختلف فرق درجة الحرارة بين سطحها وداخلها. يؤدي التسخين أو التبريد السريع إلى تمدد أو انكماش حراري على التوالي، وتُسبب هذه الحركة الموضعية للمادة إجهادات حرارية. تخيل تسخين أسطوانة، فيرتفع سطحها أولًا بينما يبقى مركزها عند درجة الحرارة الابتدائية نفسها. بعد فترة، يصل مركز الأسطوانة إلى درجة حرارة السطح نفسها. خلال عملية التسخين، يكون السطح أكثر سخونة نسبيًا، وبالتالي يتمدد أكثر من المركز. مثال على ذلك حشوات الأسنان التي قد تُسبب إجهادًا حراريًا في فم الإنسان. أحيانًا يستخدم أطباء الأسنان حشوات ذات معاملات تمدد حراري مختلفة عن مينا الأسنان، فتتمدد الحشوات أسرع من المينا، مما يُسبب ألمًا في فم الإنسان. ^{[ 1 ]}

تتمدد المادة أو تنكمش تبعًا لمعامل تمددها الحراري. وطالما أن المادة حرة الحركة، فإنها تتمدد أو تنكمش بحرية دون توليد إجهادات. ولكن عند تثبيت هذه المادة على جسم صلب في عدة نقاط، قد تتولد إجهادات حرارية في المنطقة المقيدة هندسيًا. ويُحسب هذا الإجهاد بضرب التغير في درجة الحرارة في معامل التمدد الحراري للمادة في معامل يونغ الخاص بها (انظر الصيغة أدناه).${\displaystyle E}$معامل يونغ ،${\displaystyle \alpha }$معامل التمدد الحراري ،${\displaystyle T_{0}}$هي درجة الحرارة الابتدائية و${\displaystyle T_{f}}$هي درجة الحرارة النهائية. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

${\displaystyle \sigma =E\alpha \left(T_{f}-T_{0}\right)=E\alpha \Delta {T}}$

متى${\displaystyle T_{f}}$أكبر من${\displaystyle T_{0}}$تُمارس القيود قوة ضغط على المادة. ويحدث العكس أثناء التبريد؛ عندما${\displaystyle T_{f}}$أقل من${\displaystyle T_{0}}$سيكون الإجهاد شدّياً. مثال على ذلك عملية اللحام التي تتضمن تسخين وتبريد المعدن، وهي عملية تجمع بين التمدد الحراري والانكماش وتدرجات درجة الحرارة. بعد دورة كاملة من التسخين والتبريد، يتبقى في المعدن إجهاد متبقٍ حول منطقة اللحام.

ينتج هذا عن مزيج من تدرج حراري كبير بسبب انخفاض الموصلية الحرارية، بالإضافة إلى التغير السريع في درجة الحرارة على المواد الهشة. يؤدي التبريد السريع للسطح إلى إجهادات شدية عليه، مما يشجع على تشكل الشقوق وانتشارها. عادةً ما تكون المواد الخزفية عرضة للصدمات الحرارية . ^{[ 2 ]} مثال على ذلك تسخين الزجاج إلى درجة حرارة عالية ثم تبريده فجأة في الماء البارد. مع انخفاض درجة حرارة الزجاج بسرعة، تتولد إجهادات تُسبب كسورًا في جسم الزجاج، والتي قد تظهر على شكل شقوق أو حتى تحطم في بعض الحالات.