Rozszerzalność cieplna

Rozszerzalność cieplna

Rozszerzalność cieplna to zjawisko, w którym rozmiary ciał zmieniają się w zależności od ich temperatury. Wyróżniamy dwie główne formy tego zjawiska:

• Rozszerzalność liniowa – zmiana długości ciał.
• Rozszerzalność objętościowa – zmiana objętości ciał.

Chociaż zazwyczaj pod wpływem ogrzewania ciała zwiększają swoje rozmiary, występuje także zjawisko rozszerzalności anomalnej, gdzie niektóre materiały kurczą się przy wzroście temperatury.

Rozszerzalność liniowa

Zmiana długości ciała jest proporcjonalna do zmiany temperatury, co można opisać wzorem:

$x\; =\; x\_0\; (1\; +\; alpha\; Delta\; T),$

gdzie:

• $x$ – długość po zmianie temperatury,
• $x\_0$ – długość początkowa,
• $alpha$ – współczynnik rozszerzalności liniowej,
• $Delta\; T$ – przyrost temperatury.

Współczynnik ten, wyrażany w jednostkach $[alpha]\; =\; frac\{1\}\{K\}$, wskazuje, o ile zwiększa się długość przy zmianie temperatury o 1 K. Rozszerzalność liniowa dotyczy głównie ciał stałych.

Dokładność

Prawo rozszerzalności liniowej jest przybliżone i dokładne jedynie w wąskim zakresie temperatur. Wartości współczynnika rozszerzalności mogą się zmieniać w różnych warunkach. Dla monokryształów i ciał anizotropowych, takich jak kryształ kalcytu, współczynniki mogą różnić się w zależności od kierunku.

Zjawisko w życiu codziennym

Przykłady zastosowania rozszerzalności cieplnej:

• Połączenia szyn kolejowych wymagają szczelin dylatacyjnych.
• Kable elektryczne zmieniają swoją długość w zależności od temperatury.
• Płytki bimetalowe w termostatach zmieniają kształt przy zmianach temperatury.
• Pękanie powierzchni klejonych wskutek różnic w rozszerzalności materiałów.
• Woda zmniejsza objętość przy wzroście temperatury w zakresie 0-4°C.

Rozszerzalność objętościowa

Rozszerzalność objętościowa cieczy opisana jest wzorem:

$V\; =\; V\_0\; (1\; +\; beta\; Delta\; T),$

gdzie:

• $V$ – objętość po zmianie temperatury,
• $V\_0$ – objętość początkowa,
• $beta$ – współczynnik rozszerzalności objętościowej.

Współczynnik ten wyrażany jest w tej samej jednostce, co współczynnik liniowy, a ich zależność można opisać jako $beta\; =\; 3alpha$.

Zastosowania

Rozszerzalność cieplna ma wiele praktycznych zastosowań:

• Termometry metalowe – wykorzystujące rozszerzalność liniową do pomiaru temperatury.
• Budowa dróg i torów kolejowych – uwzględniająca szczeliny dla rozszerzania się materiału.
• Termometry cieczowe – wykorzystujące rozszerzalność cieczy do pomiarów temperatury.
• Termometry gazowe – wykorzystujące rozszerzalność gazów.