Rozszerzalność cieplna

Rozszerzalność cieplna, dylatacja jest to zjawisko fizyczne zmiany rozmiarów ciała fizycznego pod wpływem zmiany jego temperatury.

Rozróżniamy:

rozszerzalność termiczną ciał stałych (najmniejsza),
rozszerzalność termiczną cieczy (zwykle nieco większa),
rozszerzalność termiczną gazów (największa).

Jaka jest przyczyna tego zjawiska? Wraz ze wzrostem temperatury rośnie energia drgań cząstek składowych ciał, przez co rośnie średnia odległość między nimi.

Zazwyczaj wraz ze wzrostem temperatury rozmiary ciał ulegają zwiększeniu. Zdarzają się odchylenia od tej zasady, do których należy woda.

Woda w zakresie wzrostu temperatur od 0 do około 4°C zmniejsza swą objętość! To tak zwana rozszerzalność anomalna.

Przykłady

Rozszerzalność termiczną ciał obserwujemy często i często ją wykorzystujemy. Oto garść przykładów:

Między szynami torów stosuje się przerwę dylatacyjną, która w zimie jest szeroka, a latem staje się wąska. Gdyby tej przerwy nie było, szyny powyginałyby się. Taką przerwę zostawia się także między betonowymi płytami i różnymi konstrukcjami ze stali.
Latem kable sieci elektrycznej zwisają mocniej niż zimą. Są zwyczajnie dłuższe.
Wyłączniki termostatyczne działają w oparciu o opisywane tu zjawisko.
Mocno nadmuchany balon na mrozie, przeniesiony do ciepłego pokoju, najpewniej pęknie.
Budowa termometrów metalowych, cieczowych.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej

Rozróżniamy kilka stałych fizycznych, które charakteryzują różną zdolność ciał do rozszerzalności cieplnej. Są to:

Współczynnik rozszerzalności objętościowej:

$\alpha=\frac{\Delta V}{V_0\Delta T}$

gdzie:

α - współczynnik rozszerzalności objętościowej,
ΔV - przyrost objętości,
V₀ - objętość początkowa,
ΔT - przyrost temperatury.

Współczynnik ten wskazuje o ile zwiększy się objętość jednostki objętości ciała po ogrzaniu go o 1 K.

Współczynnik rozszerzalności liniowej:

$\lambda=\frac{\Delta l}{l_0\Delta T}$

gdzie:

λ; - współczynnik rozszerzalności liniowej,
Δl - przyrost długości,
l₀ - długość początkowa,
ΔT - przyrost temperatury.

Współczynnik ten wskazuje o ile zwiększy się długość jednostki długości ciała po ogrzaniu go o 1 K. Określa się go wyłącznie dla ciał stałych.

Jednostką współczynnika rozszerzalności jest 1/K.

Między powyższymi współczynnikami dla ciał izotropowych zachodzi zależność:

α=3λ

Tablice

Oto przykładowe współczynniki rozszerzalności termicznej

Substancja	Współczynnik rozszerzalności objętościowej [10^-4/K]
Gazy w temperaturze 0°C
hel	36,6
wodór	36,6
tlen	36,7
powietrze	36,7
Ciecze
woda (0°C)	-0,69
woda (3,9834°C)	0
woda (5°C)	0,16
woda (10°C)	0,88
Nafta	10,4
etanol	11,1
rtęć	1,81
gliceryna	5,0

Substancja	Współczynnik rozszerzalności liniowej [10^-4/K]
asfalt	1,9
beton	0,08-0,14
diament	0,012
gips	0,25
granit	0,083
lód (0°C)	0,49
miedź	0,162
papier	0,1
stal	0,12
szkło	0,03-0,09
wosk	14,6

Ciekawostki

Warto zauważyć, że stal i beton mają podobne współczynniki rozszerzalności liniowej. Dzięki temu możliwe jest ich łączenie w żelbet, który pod wpływem temperatury zachowuje trwałość. Gdyby stal miała większy współczynnik rozszerzalności, żelazobeton pękałby pod wpływem upałów.

Pytania

Czy ciała stałe rozszerzają się pod wpływem wzrostu temperatury jednakowo we wszystkich kierunkach?

Nie wszystkie. Wiele kryształów wykazuje anizotropowość w tym zakresie.

Czy rozszerzalność cieplna i termiczna to to samo?

Tak.

Czy współczynnik rozszerzalności jest taki sam w różnych zakresach temperatur?

Nie. W tablicach podaje się wartości uśrednione.