Lämpölaajeneminen

Wikipedia

Lämpölaajeneminen tarkoittaa materiaalien laajenemista lämpötilan kasvaessa. Jotkut materiaalit myös kutistuvat lämmetessään.

Sisällysluettelo

1 Fysikaalinen tulkinta
- 1.1 Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin
- 1.2 Tilavuuden lämpölaajenemiskerroin
2 Vaikutuksia
3 Katso myös

[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 $Δ L$ voidaan ratkaista yhtälöstä

$\Delta L = \alpha \Delta T L_{0} ,\,\!$

missä $L 0$ on kappaleen alkuperäinen pituus ja $Δ T$ 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

Δ V = βΔ T V 0,

missä $V 0$ on kappaleen alkuperäinen tilavuus. Monille aineille pätee approksimaatio

$\beta \approx 3\alpha \,\! .$

[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.