Wat is thermische expansie?

Als gevolg van temperatuursveranderingen, verandert materie in volume. Dit concept staat bekend als thermische expansie. Terwijl een stof opwarmt, bewegen de deeltjes in de stof en worden actiever naarmate de temperatuur stijgt. Deze activiteit zorgt ervoor dat de deeltjes extra ruimte tussen elkaar nodig hebben, waardoor de grootte van een materiaal wordt vergroot. De vergelijking om dit concept te beschrijven staat bekend als de thermische uitzettingscoëfficiënt en kan worden gedefinieerd door het feit dat de mate van uitzetting wordt gedeeld door de temperatuurverandering in een materiaal.

Het gebruik van bepaalde vaste materialen in de bouw en engineering is een direct gevolg van deze thermische expansie. De behoefte aan objecten om hun vorm te behouden zonder grote vervorming resulteert in de gebruikelijke praktijk van het gebruik van metalen en kunststoffen. Een hamer moet bijvoorbeeld zijn vorm behouden als de temperatuur stijgt om aantasting te voorkomen. Hoewel dit principe in het algemeen waar is op basis van het gebruikte type materiaal, kunnen bepaalde structuren, zoals kristallen, verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten hebben, afhankelijk van de vorm.

Evenzo met het concept van negatieve thermische uitzetting, zorgen omstandigheden zoals extreme kou ervoor dat materialen samentrekken om exact tegenovergestelde redenen als reguliere thermische uitzetting. Vaak zijn andere materialen met verschillende coëfficiënten nodig in samenhang met deze vaste stoffen. Een voorbeeld zou een raam zijn, dat rubberen fittingen nodig heeft om de uitzetting en krimp van het metalen frame te voorkomen.

Hoe harder het materiaal, hoe lager de thermische uitzetting. Vloeistoffen zullen sneller uitzetten dan vaste stoffen. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat naarmate de energiebinding tussen de deeltjes toeneemt, de thermische expansie in deze stoffen afneemt. Bovendien veranderen bepaalde materialen van grootte door de absorptie of desorptie van water of oplosmiddelen.

Een type expansie bekend als anisotrope expansie kan optreden binnen bepaalde soorten materialen. Dit betekent dat de vaste stof niet exact in elke richting uitzet. Elk materiaal met een aantal lagen, zoals grafiet, zet gewoonlijk gemakkelijker loodrecht uit met de lagen in plaats van verticaal tegen de lagen. Dit kan gunstig zijn voor ontwerpers wanneer ze proberen een fitting te maken die in slechts één richting zou moeten uitzetten bij blootstelling aan temperatuurveranderingen.