Lämpölaajeneminen
Wikipedia
Lämpölaajeneminen tarkoittaa materiaalien laajenemista lämpötilan kasvaessa. Jotkut materiaalit myös kutistuvat lämmetessään.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Fysikaalinen tulkinta
Aineen lämpölaajenemista kuvaa lämpölaajenemiskerroin, joka kertoo paljonko kappaleen koko muuttuu sen lämpötilan muuttuessa yhden asteen Celsius tai Kelvin asteikolla. Kerroin voi riippua lämpötilasta ja kappaleen rakenteesta (muun muassa kiderakenteesta) ja olla eri suuruinen eri suuntiin. Lämpölaajenemiskertoimen yksikkö on 1/°C tai 1/K.
[muokkaa] Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin
Kappaleen laajenemista tutkittaessa vain yhdessä suunnassa käytetään lineaarista lämpölaajenemiskerrointa α. Kappaleen pituuden muutos ΔL voidaan ratkaista yhtälöstä
missä L0 on kappaleen alkuperäinen pituus ja ΔT on lämpötilan muutos.
Esimerkiksi raudan lineaarinen lämpölaajenemiskerroin on noin 12·10−6 1/°C huoneen lämpötilassa. Jos metrin pituinen rautakappale lämpenee kymmenen astetta, sen pituus muuttuu 100 cm · 10°C · 12·10−6 1/°C = 0,012 cm.
[muokkaa] Tilavuuden lämpölaajenemiskerroin
Koko kappaleen lämpölaajenemista vakiopaineessa kuvataan tilavuuden lämpölaajenemiskertoimella β. Tällöin tilavuuden V muutos
- ΔV = βΔTV0,
missä V0 on kappaleen alkuperäinen tilavuus. Monille aineille pätee approksimaatio
[muokkaa] Vaikutuksia
Jos lämpenevä kappale on pitkä, on pituuden muutos myös varsin suuri. Tämän vuoksi lämpölaajeneminen pitää ottaa huomioon esimerkiksi sillanrakennuksessa. Sillan ramppeihin tehdään yleensä pienet raot, jotka sallivat sillan laajeta/kutistua rikkoutumatta. Samoin ennen ratakiskojen välissä oli raot, nykyään kiskot on kiinnitetty lujasti.
Hyötykäytössä lämpölaajeneminen on esimerkiksi junan pyörien kiinnityksessä: keskiö viilennetään ja rautarenkaat kuumennetaan monta sataa astetta kuumiksi. Sitten kuuma rengas sovitetaan keskiöön tiukaksi ja annetaan renkaan jäähtyä. Jäähtyessään rengas puristaa itsensä tiukasti kiinni keskiöön ja täten saadaan tehokas kiinnitys. Myös analogisten lämpömittareiden toiminta perustuu lämpölaajenemiseen.