W dzisiejszym świecie Rozszerzalność cieplna to bardzo istotny temat, który przykuł uwagę milionów ludzi na całym świecie. Jego wpływ był odczuwalny w różnych obszarach, od polityki po technologię, kulturę i społeczeństwo w ogóle. Rozszerzalność cieplna wywołał żarliwą debatę i zapoczątkował serię badań i badań w poszukiwaniu odpowiedzi i rozwiązań. Od momentu pojawienia się Rozszerzalność cieplna budzi zarówno zainteresowanie, jak i kontrowersje, a także rzuca wyzwanie sposobowi, w jaki postrzegamy i rozumiemy otaczający nas świat. W tym artykule szczegółowo zbadamy zjawisko Rozszerzalność cieplna, badając jego wiele aspektów i potencjalny wpływ na przyszłość.
Rozszerzalność cieplna, rozszerzalność termiczna – zależność rozmiarów ciał od ich temperatury; wyróżnia się dwie główne odmiany tego zjawiska:
Zwykle ogrzewanie ciał zwiększa ich rozmiary, jednak zdarza się też zjawisko odwrotne: rozszerzalność anomalna.
Przyjmuje się, że zmiana długości jest proporcjonalna do zmiany temperatury, co wyraża wzór na rozszerzalność liniową:
gdzie:
Współczynnik rozszerzalności oznacza o ile zwiększa się długość jednostki długości po ogrzaniu o jednostkę temperatury (1 K). Wyraża się wzorem:
Jednostką współczynnika rozszerzalności liniowej jest odwrotność kelwina
Rozszerzalność liniową określa się tylko dla ciał stałych.
Jest to tylko prawo przybliżone, stosunkowo dokładne tylko w wąskim zakresie temperatur. W różnych temperaturach współczynnik rozszerzalności może przyjmować różne wartości. Wzór na liniową rozszerzalność cieplną jest prawdziwy jedynie dla izotropowych ciał polikrystalicznych, ponieważ zawiera on średni (co do kierunku) współczynnik rozszerzalności. Większość monokryształów wykazuje anizotropowe właściwości rozszerzalności cieplnej, np. kryształ kalcytu przy zmianie temperatury w jednym kierunku kurczy się, a w drugim rozszerza. Można określać wówczas współczynniki rozszerzalności wzdłuż osi głównych kryształu. Przy niezbyt dużej zmianie temperatury współczynnik rozszerzalności termicznej jest wystarczająco dokładnym parametrem, aby przy jego pomocy szacować zmiany kształtów materiałów podczas ich ogrzewania.
Przykłady rozszerzalności temperaturowej:
Ciecze nie mają własnej długości dlatego określa się rozszerzalność objętościową opisaną wzorem
gdzie:
Współczynnik rozszerzalności określa o ile zwiększa się objętość 1 m³ po zwiększeniu temperatury o 1 K. Wyraża się wzorem:
Jednostką współczynnika rozszerzalności objętościowej jest taka sama jak jednostka współczynnika rozszerzalności liniowej. Rozszerzalność objętościowa i liniowa są powiązane przybliżoną relacją
Zależność tę można otrzymać po podniesieniu wzoru na objętość liniową do trzeciej potęgi i przyjęciu odpowiednich przybliżeń. Obowiązuje ona tylko dla ciał izotropowych ze względu na rozszerzalność cieplną.
Większość ciał zwiększa swą objętość w wyniku wzrostu temperatury, znanych jest jednak kilka wyjątków. Najbardziej znanym przykładem odstępstwa od reguły jest woda, która w zakresie od 0 °C do 4 °C zmniejsza swoją objętość przy wzroście temperatury.
Objętość gazów zależy nie tylko od temperatury, ale też od ciśnienia, dlatego dla gazów współczynnik rozszerzalności objętościowej zależy od ciśnienia i można go obliczyć z równań Clapeyrona.
Ta sekcja od 2014-05 wymaga zweryfikowania podanych informacji. |
Materiał | współczynnik liniowy α w 20 °C (10−6 K−1) |
współczynnik objętościowy αV w 20 °C (10−6 K−1) |
Uwagi |
---|---|---|---|
Aluminium | 23,1 | 69 | |
Arsenek galu | 5,8 | 17,4 | |
Azotek glinu | 5,3 | 4,2 | |
Benzocyklobuten | 42 | 126 | |
Benzyna | 317 | 950 | |
Cement | 12 | 36 | |
Daglezja zielona | 27 | 75 | promieniowo |
Daglezja zielona | 45 | 75 | stycznie |
Daglezja zielona | 3,5 | 75 | równolegle do włókien |
Dąb | 54 | prostopadle do włókien | |
Diament | 1 | 3 | |
Etanol | 250 | 750 | |
Fosforek indu | 4,6 | 13,8 | |
Guma | |||
Inwar | 1,2 | 3,6 | |
Kapton | 20 | 60 | polimer DuPont Kapton 200EN |
Krzem | 3 | 9 | |
Kwarc | 0,33 | 1 | |
Kwarc (stopiony) | 0,59 | 1,77 | |
Macor | 9,3 | szkło ceramiczne do obróbki mechanicznej Corning Inc. | |
Magnez | 26 | 78 | |
Miedź | 17 | 51 | |
Molibden | 4,8 | 14,4 | |
Mosiądz | 19 | 57 | |
Nikiel | 13 | 39 | |
Ołów | 29 | 87 | |
PVC/PCW | 52 | 156 | |
Platyna | 9 | 27 | |
Polipropylen | 150 | 450 | |
Rtęć | 61 | 182 | |
Sitall | 0±0,15 | 0±0,45 | średnia z zakresu −60 °C do 60 °C materiał szkło-krystaliczny |
Srebro | 18 | 54 | |
Stal | 11,0 ~ 13,0 | 33,0 ~ 39,0 | zależne od stopu |
Stal nierdzewna | 17,3 | 51,9 | |
Stal węglowa | 10,8 | 32,4 | |
Szafir | 5,3 | równoległy do osi C, lub | |
Szkło | 8,5 | 25,5 | |
Szkło borokrzemowe | 3,3 | 9,9 | |
Tytan | 8,6 | ||
Węglik krzemu | 2,77 | 8,31 | |
Woda | 69 | 207 | |
Wolfram | 4,5 | 13,5 | |
YbGaGe – stop iterbu, galu i germanu | ≐0 | ≐0 | podważone |
Zerodur | ≈0,02 | 0...50 °C | |
Złoto | 14 | 42 | |
Żelazo | 11,8 | 33,3 |