Co je to tepelná expanze?

V důsledku změn teploty dochází ke změnám objemu hmoty. Tento koncept se nazývá tepelná roztažnost. Jak se látka zahřívá, částice v hmotě se pohybují a stávají se aktivnějšími, když teplota stoupá. Tato aktivita způsobuje, že částice potřebují mezi sebou další prostor a zvětšují tak velikost materiálu. Rovnice popisující tento koncept je známá jako koeficient tepelné roztažnosti a může být definována skutečností, že stupeň roztažnosti je dělen změnou teploty v materiálu.

Použití určitých pevných materiálů ve stavebnictví a strojírenství je přímým důsledkem této tepelné roztažnosti. Potřeba, aby si objekty udržely svůj tvar bez větších deformací, má za následek běžnou praxi používání kovů a plastů. Například kladivo si musí zachovat svůj tvar, když teploty stoupají, aby se zabránilo jeho poškození. I když je tento princip obecně založen na typu použitého materiálu, určité struktury, jako jsou krystaly, mohou mít různé koeficienty tepelné roztažnosti v závislosti na tvaru.

Podobně jako u pojmu negativní tepelná roztažnost způsobují podmínky, jako je extrémní chlad, materiály, které se stahují z přesně opačných důvodů, jako je pravidelná tepelná roztažnost. Ve spojení s těmito pevnými látkami jsou často potřebné jiné materiály s různými koeficienty. Jedním příkladem by mohlo být okno, které potřebuje gumové kování, aby se zabránilo rozpínání a smršťování kovového rámu.

Čím je materiál tvrdší, tím nižší je tepelná roztažnost. Kapaliny se rozpínají rychleji než pevné látky. To je způsobeno skutečností, že se zvyšováním energetické vazby mezi částicemi se v těchto látkách snižuje tepelná roztažnost. Některé materiály navíc mění velikost díky absorpci nebo desorpci vody nebo rozpouštědel.

U některých typů materiálů může dojít k expanzi známé jako anizotropní expanze. To znamená, že se těleso v každém směru neroztahuje přesně stejně. Jakýkoli materiál s množstvím vrstev, jako je grafit, se obvykle rozpíná snadněji kolmo s vrstvami spíše než svisle proti vrstvám. To může být užitečné pro konstruktéry, když se pokouší provést kování, které by při vystavení změnám teploty bylo nutné expandovat pouze v jednom směru.