Współczynnik rozszerzalności
Ciała stałe najczęściej rozszerzają się w odpowiedzi na ogrzewanie i kurczą przy chłodzeniu. Ta reakcja na zmianę temperatury jest wyrażana jako współczynnik rozszerzalności cieplnej.
Stosuje się współczynnik rozszerzalności cieplnej:
- w liniowej rozszerzalności cieplnej
- w rozszerzalności cieplnej powierzchni
- w objętościowej rozszerzalności cieplnej
Właściwości te są ściśle powiązane. Objętościowy współczynnik rozszerzalności cieplnej może być mierzony dla wszystkich substancji w stanie skondensowanym (cieczy i ciała stałego). Liniowa rozszerzalność cieplna może być mierzona tylko w stanie stałym i jest powszechna w zastosowaniach inżynieryjnych.
Współczynniki rozszerzalności cieplnej dla niektórych popularnych materiałów
Rozszerzanie i kurczenie się materiału musi być brane pod uwagę przy projektowaniu dużych konstrukcji, przy użyciu taśmy lub łańcucha do mierzenia odległości przy pomiarach gruntów, przy projektowaniu form do odlewania gorącego materiału oraz w innych zastosowaniach inżynieryjnych, gdy spodziewane są duże zmiany wymiarów pod wpływem temperatury. Zakres wartości α wynosi od 10-7 dla twardych ciał stałych do 10-3 dla cieczy organicznych. α zmienia się w zależności od temperatury, a niektóre materiały wykazują bardzo dużą zmienność. Niektóre wartości dla popularnych materiałów, podane w częściach na milion na stopień Celsjusza: (UWAGA: Może to być również w kelwinach, ponieważ zmiany temperatury są w stosunku 1:1)| współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej α | |
| materiał | α w 10-6/K przy 20 °C |
| 60 | |
| BCB | 42 |
| Ołów | 29 |
| Aluminium | 23 |
| Mosiądz | 19 |
| 17.3 | |
| Miedź | 17 |
| Złoto | 14 |
| Nickel | 13 |
| 12 | |
| Żelazo lub stal | 11.1 |
| 10.8 | |
| Platinum | 9 |
| 8.5 | |
| GaAs | 5.8 |
| Fosforek indu | 4.6 |
| Tungsten | 4.5 |
| Szkło, Pyrex | 3.3 |
| 3 | |
| Invar | 1.2 |
| 1 | |
| Kwarc, stopiony | 0.59 |
Aplikacje
Dla zastosowań wykorzystujących właściwość rozszerzalności cieplnej, patrz termometr bimetaliczny i rtęciowy
Rozszerzalność cieplna jest również wykorzystywana w zastosowaniach mechanicznych do dopasowywania części jedna do drugiej, np. tuleja może być zamontowana na wale poprzez wykonanie jej wewnętrznej średnicy nieco mniejszej niż średnica wału, a następnie podgrzanie jej do momentu dopasowania do wału i pozwolenie na ostygnięcie po wsunięciu na wał, uzyskując w ten sposób "pasowanie skurczowe".
Istnieją stopy o bardzo małym CTE, stosowane w aplikacjach, które wymagają bardzo małych zmian w wymiarach fizycznych w zakresie temperatur. Jednym z nich jest Invar 36, z współczynnikiem w zakresie 0,6x10-6. Stopy te są przydatne w przemyśle lotniczym i kosmicznym, gdzie mogą wystąpić duże wahania temperatury.
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest współczynnik rozszerzalności cieplnej?
O: Współczynnik rozszerzalności cieplnej jest miarą tego, jak bardzo ciało stałe rozszerza się lub kurczy w odpowiedzi na zmiany temperatury.
P: Jakie są trzy rodzaje rozszerzalności cieplnej?
O: Trzy rodzaje rozszerzalności cieplnej to liniowa rozszerzalność cieplna, obszarowa rozszerzalność cieplna i objętościowa rozszerzalność cieplna.
P: Jaka jest różnica między liniową rozszerzalnością cieplną a objętościową rozszerzalnością cieplną?
Liniowa rozszerzalność cieplna odnosi się do zmian długości, podczas gdy objętościowa rozszerzalność cieplna odnosi się do zmian objętości.
P: Czy można zmierzyć współczynnik objętościowej rozszerzalności cieplnej dla cieczy?
O: Tak, objętościowy współczynnik rozszerzalności cieplnej można zmierzyć dla wszystkich substancji skondensowanych, w tym cieczy.
P: W jakim stanie można zmierzyć liniową rozszerzalność cieplną?
O: Liniową rozszerzalność cieplną można mierzyć tylko w stanie stałym.
P: Dlaczego liniowa rozszerzalność cieplna jest powszechna w zastosowaniach inżynieryjnych?
Liniowa rozszerzalność cieplna jest powszechna w zastosowaniach inżynieryjnych, ponieważ jest istotna dla struktur i komponentów, które muszą zachować swój kształt i rozmiar w zmiennych temperaturach.
P: Czy różne rodzaje rozszerzalności cieplnej są ze sobą ściśle powiązane?
O: Tak, różne rodzaje rozszerzalności cieplnej (liniowa, powierzchniowa i objętościowa) są ze sobą ściśle powiązane.
