การขยายตัวเชิงเส้นของวัสดุ

การขยายตัวทางความร้อน

การขยายตัวของความร้อนแนวโน้มของเรื่องการเปลี่ยนแปลงของรูปร่าง , พื้นที่ , ปริมาณและความหนาแน่นในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในอุณหภูมิมักจะไม่รวมถึงช่วงช่วง [1]

อุณหภูมิเป็นฟังก์ชันโมโนโทนิกของพลังงานจลน์ระดับโมเลกุลเฉลี่ยของสาร เมื่อสารได้รับความร้อน โมเลกุลจะเริ่มสั่นสะเทือนและเคลื่อนที่มากขึ้น โดยปกติแล้วจะสร้างระยะห่างระหว่างกันมากขึ้น สารที่หดตัวตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนั้นผิดปกติ และเกิดขึ้นภายในช่วงอุณหภูมิที่จำกัดเท่านั้น (ดูตัวอย่างด้านล่าง) การขยายตัวสัมพัทธ์ (เรียกอีกอย่างว่าความเครียด ) หารด้วยการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเรียกว่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นของวัสดุและโดยทั่วไปจะแปรผันตามอุณหภูมิ เมื่อพลังงานในอนุภาคเพิ่มขึ้น พวกมันจะเริ่มเคลื่อนที่เร็วขึ้นและเร็วขึ้น ทำให้กองกำลังระหว่างโมเลกุลอ่อนแอลง ดังนั้นจึงขยายสสาร

หากมีสมการสถานะสามารถใช้ทำนายค่าของการขยายตัวทางความร้อนที่อุณหภูมิและความดันที่ต้องการทั้งหมด ร่วมกับฟังก์ชันอื่นๆของสถานะได้

วัสดุจำนวนหนึ่งหดตัวเมื่อได้รับความร้อนภายในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด นี้มักจะเรียกว่าการขยายตัวทางความร้อนเชิงลบมากกว่า "การหดตัวด้วยความร้อน" ตัวอย่างเช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของหยดน้ำเป็นศูนย์เมื่อถูกทำให้เย็นลงที่ 3.983 °C จากนั้นจะกลายเป็นลบต่ำกว่าอุณหภูมินี้ นี่หมายความว่าน้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่อุณหภูมินี้ และสิ่งนี้นำไปสู่แหล่งน้ำที่รักษาอุณหภูมินี้ไว้ที่ระดับความลึกที่ต่ำกว่าในช่วงระยะเวลาที่ยาวนานของสภาพอากาศที่ต่ำกว่าศูนย์ นอกจากนี้ซิลิกอนบริสุทธิ์เป็นธรรมมีค่าสัมประสิทธิ์เชิงลบของการขยายตัวของความร้อนสำหรับอุณหภูมิระหว่าง 18 และ 120 เคลวิน[2]

วัสดุที่เป็นของแข็งต่างจากก๊าซหรือของเหลว เนื่องจากวัสดุที่เป็นของแข็งมักจะคงรูปร่างไว้เมื่อทำการขยายตัวจากความร้อน

การขยายตัวทางความร้อนโดยทั่วไปจะลดลงตามพลังงานพันธะที่เพิ่มขึ้นซึ่งมีผลต่อจุดหลอมเหลวของของแข็งด้วยเช่นกัน ดังนั้น วัสดุที่มีจุดหลอมเหลวสูงจึงมีแนวโน้มที่จะมีการขยายตัวทางความร้อนต่ำกว่า โดยทั่วไป ของเหลวจะขยายตัวมากกว่าของแข็งเล็กน้อย การขยายตัวทางความร้อนของแก้วจะสูงกว่าเมื่อเทียบกับคริสตัล[3]ที่อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว การจัดเรียงใหม่ในวัสดุอสัณฐานทำให้เกิดความไม่ต่อเนื่องของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนและความร้อนจำเพาะ ความไม่ต่อเนื่องเหล่านี้ทำให้สามารถตรวจจับอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วซึ่งของเหลวที่เย็นจัดยิ่งยวดเปลี่ยนเป็นแก้วได้[4]

การเปลี่ยนแปลงความยาวของแท่งเนื่องจากการขยายตัวทางความร้อน

การขยายตัวทางความร้อนของส่วนอย่างต่อเนื่องยาวนานของการรถไฟเป็นแรงผลักดันสำหรับรถไฟโก่งปรากฏการณ์นี้ส่งผลให้รถไฟตกราง 190 ขบวนระหว่างปี 2541-2545 ในสหรัฐอเมริกาเพียงแห่งเดียว [8]

การดื่มแก้วที่แตกเนื่องจากการขยายตัวทางความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอหลังจากเทของเหลวร้อนลงในแก้วที่เย็นแล้ว

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงปริมาตรสำหรับพอลิโพรพิลีนกึ่งผลึก

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นสำหรับเหล็กบางเกรด