Co to jest rozszerzalność cieplna?
W wyniku zmian temperatury materia zmienia objętość. Ta koncepcja jest znana jako rozszerzalność cieplna. Gdy substancja nagrzewa się, cząsteczki materii poruszają się, stając się bardziej aktywne wraz ze wzrostem temperatury. Ta aktywność powoduje, że cząstki potrzebują między sobą dodatkowej przestrzeni, zwiększając rozmiar materiału. Równanie opisujące tę koncepcję jest znane jako współczynnik rozszerzalności cieplnej i może być zdefiniowane przez fakt, że stopień rozszerzalności jest podzielony przez zmianę temperatury w materiale.
Zastosowanie niektórych materiałów stałych w budownictwie i inżynierii jest bezpośrednim wynikiem tej rozszerzalności cieplnej. Konieczność zachowania kształtu przez przedmioty bez większych zniekształceń powoduje powszechną praktykę stosowania metali i tworzyw sztucznych. Na przykład młot musi zachować swój kształt wraz ze wzrostem temperatury, aby zapobiec uszkodzeniu. Chociaż zasada ta jest ogólnie prawdą w zależności od rodzaju zastosowanego materiału, niektóre struktury, takie jak kryształy, mogą mieć różne współczynniki rozszerzalności cieplnej w zależności od kształtu.
Podobnie w przypadku koncepcji ujemnej rozszerzalności cieplnej warunki, takie jak ekstremalne zimno, powodują kurczenie się materiałów z dokładnie przeciwnych powodów, jak zwykła rozszerzalność cieplna. Często inne materiały o różnych współczynnikach są potrzebne w połączeniu z tymi ciałami stałymi. Jednym z przykładów może być okno, które wymaga gumowych okuć, aby zapobiec rozszerzaniu się i kurczeniu metalowej ramy.
Im twardszy materiał, tym mniejsza rozszerzalność cieplna. Ciecze będą się rozszerzać łatwiej niż ciała stałe. Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem wiązania energetycznego między cząsteczkami zmniejsza się rozszerzalność cieplna tych substancji. Ponadto niektóre materiały zmieniają rozmiar z powodu absorpcji lub desorpcji wody lub rozpuszczalników.
Ekspansja znana jako ekspansja anizotropowa może wystąpić w niektórych rodzajach materiałów. Oznacza to, że bryła nie rozszerzy się dokładnie w obu kierunkach. Każdy materiał z wieloma warstwami, taki jak grafit, zwykle rozszerza się łatwiej w kierunku prostopadłym z warstwami niż pionowo w stosunku do warstw. Może to być korzystne dla projektantów, którzy próbują wykonać złączkę, która musiałaby się rozszerzać tylko w jednym kierunku, gdy byłaby narażona na zmiany temperatury.