Termisk ekspansjon

Termisk ekspansjon er tendensen materie har til å endre volum ved endring i temperatur. Når et stoff varmes opp begynner partiklene å forflytte seg raskere og holder da en større gjennomsnittlig avstand. Materialer som trekker seg sammen ved økende temperaturer er sjeldne; denne effekten er begrenset i størrelse og oppstår bare innenfor begrensede temperaturområder. Graden av ekspansjon dividert med endringen i temperatur kalles materialets koeffisient av termisk ekspansjon og varierer generelt med temperatur.

En stav med lengde ℓ  vil under oppvarming forandre sin lengde med Δℓ. Hvis temperaturøkningen er ΔT, defineres lengdeutvidelseskoeffisienten som

${\displaystyle \alpha _{\ell }={1 \over \ell }{\Delta \ell \over \Delta T}}$

Den måles derfor i enheter av invers temperatur, det vil si K ^-1. Et typisk eksempel er en 10 m lang stålstang som utvideer seg med 6 mm når den varmes opp fra -20 °C til 30 °C. Det tilsvarer koeffisienten α_ℓ = 1.2×10 ^-5 som er en typisk verdi for faste stoffer.^[1]

På tilsvarende hvis kan man definere en tredimensjonal utvidelseskoeffisient α  for et homogent materiale. Hvis et volum V  utvider seg med ΔV  under en temperaturøkning ΔT, er den

${\displaystyle \alpha ={1 \over V}{\Delta V \over \Delta T}}$

og måles med samme enhet som den lineære koeffisienten. For væsker og gasser er den vanligvis betydelig større enn for faste stoffer.^[2]

Når det faste stoffet er homogent, kan volumutvidelseskoeffisienten uttrykkes ved den lineære koeffisienten. Da vil et volum V = ℓ³ utvides under oppvarming til

${\displaystyle V\rightarrow (\ell +\Delta \ell )^{3}=\ell ^{3}+3\ell ^{2}\Delta \ell +\cdots }$

når man benytter binomialformelen og neglisjerer høyere ordens ledd fordi Δℓ << ℓ. Det betyr at α = 3α_ℓ. Denne sammenhengen kan også lett verifiseres ved direkte målinger.^[1]

En ideell gass med n  mol og trykk P, har tilstandsligningen PV = nRT  hvor R  er gasskonstanten. Det betyr at P ΔV = nR ΔT. Følgelig er α = 1/T  dens volumutvidelseskoeffisient.

• (en) Thermal expansion – kategori av bilder, video eller lyd på Commons
• (engelsk) Hyperphysics: Thermal expansion
• (engelsk) Understanding Thermal Expansion in Ceramic Glazes