Termisk expansion (värmeexpansion): definition, expansionskoefficient och exempel

Lär dig om termisk expansion (värmeexpansion): definition, expansionskoefficient, temperaturberoende och praktiska exempel — från termometrar till rälsbuktning.

Inom fysiken är värmeexpansion den sannolikhet som materia har att ändra volym vid en temperaturförändring. När ett ämne värms upp rör sig dess grundpartiklar snabbare och håller därmed i allmänhet en större genomsnittlig separation. Material som drar ihop sig vid en temperaturökning är mycket ovanliga; denna effekt är begränsad i storlek och uppträder endast inom begränsade temperaturområden. Utvidgningsgraden dividerad med temperaturförändringen kallas materialets termiska expansionskoefficient och varierar i allmänhet med temperaturen.

Termometrar är ett exempel på användning av termisk expansion. De innehåller en vätska som bara kan röra sig i en riktning (längs röret) när volymen förändras i takt med temperaturen.

Termisk expansion kan bli ett problem för tåg eftersom den kan leda till att rälsen buktar. På rälsen kommer det att finnas monitorer så att om temperaturen blir onormalt hög kan de varnas och tågen kan uppmanas att sakta ner för att minska friktionsvärmen. Ibland är rälsens inre delar vitmålade för att reflektera solens varma strålar så att de inte kan orsaka buckling.

Definition och grundprinciper

Termisk expansion beskriver hur ett materiales dimensioner eller volym förändras med temperaturen. För de flesta material ökar volymen med ökande temperatur eftersom atomernas genomsnittliga rörelseenergi blir större och de i genomsnitt håller större avstånd till varandra. Effekten är oftast linjär för små temperaturintervall men kan bli icke-linjär vid större ΔT eller nära fasövergångar.

Expansionskoefficienter och enheter

Den vanligaste storheten är den linjära termiska expansionskoefficienten α, definierad som:

ΔL = α · L0 · ΔT

där ΔL är längdförändringen, L0 ursprunglig längd och ΔT temperaturändringen. Enheten för α är 1/K (ofta angiven som K−1 eller °C−1 eftersom ΔT i Kelvin och °C är ekvivalenta för skillnader).

För volymändringar används den volymetriska expansionskoefficienten β:

ΔV = β · V0 · ΔT

För isotropa material gäller ungefär β ≈ 3α.

Typiska värden (ungefärliga)

• Stål: α ≈ 11–13 × 10−6 K−1
• Aluminium: α ≈ 22–24 × 10−6 K−1
• Koppar: α ≈ 16–18 × 10−6 K−1
• Glas: α ≈ 3–9 × 10−6 K−1 (beroende på typ)
• Betong: α ≈ 7–12 × 10−6 K−1

Dessa värden varierar med temperatur och materialets legering eller sammansättning.

Konsekvenser och praktiska exempel

Termisk expansion påverkar många tekniska konstruktioner och vardagsföremål. Exempel och åtgärder:

• Räls och broar: byggs med expansionsskarvar för att tillåta rörelse och undvika buckling eller sprickor.
• Rörledningar: dimensioneras och monteras med kompenserande knutpunkter eller böjar för att ta upp längdutvidgning.
• Elektronik och precisionsinstrument: kräver materialval med låg expansionskoefficient eller temperaturkompensering för att behålla noggrannhet.
• Bimetallremsor: två metaller med olika α böjer sig vid uppvärmning och används i termostater och temperaturregulatorer.
• Termometrar: utnyttjar vätskors volymförändring i smala kapillärer för mätning.

Termisk spänning när rörelse hindras

Om ett objekt inte kan expandera fritt leder temperaturökning till inre spänningar. För ett helt fast inspänt föremål kan den utlösande termiska spänningen approximativt ges av:

σ = E · α · ΔT

där E är elasticitetsmodulen. Sådana spänningar kan orsaka sprickbildning, deformation eller brott om materialets hållfasthet överskrids.

Särskilda fall och avvikande beteenden

Vatten uppvisar ett välkänt anomalitetsområde: mellan 0 °C och 4 °C minskar volymen när temperaturen sjunker, vilket betyder att vatten har maximal densitet vid ≈4 °C. Detta har viktiga ekologiska konsekvenser för sjöars överlevnad vintertid.

Det finns även material med negativ termisk expansion (de krymper vid uppvärmning) inom vissa temperaturintervall och avancerade kompositer som brukar användas för att skapa material med mycket låg eller kontrollerad expansion.

Mätmetoder och temperaturberoende

Termisk expansion kan mätas med dilatometrar (för längd- eller volymskift), optisk interferometri eller med hjälp av referensmaterial i precisionstillämpningar. Eftersom α ofta varierar med temperaturen anges i praktiken en medelkoefficient över ett specificerat intervall eller en temperaturberoende funktion.

Sammanfattning

Termisk expansion är en grundläggande egenskap hos material som påverkar konstruktion, mätning och funktion i många sammanhang. Kännedom om ett materials expansionskoefficient och hur temperaturförändringar hanteras är avgörande för säker och fungerande design — exempelvis genom användning av expansionsskarvar, val av material eller kompensationsmekanismer som bimetalliska system.

Frågor och svar

F: Vad är termisk expansion inom fysiken?

F: Vad händer med de grundläggande partiklarna i ett ämne när det värms upp?

F: Är material som drar ihop sig vid en temperaturökning vanliga eller ovanliga?

F: Vad är värmeutvidgningskoefficienten?

F: Kan termisk expansion bli ett problem för tåg?

F: Hur använder termometrar termisk expansion?

F: Vad gör övervakarna på tågrälsen om temperaturen blir onormalt hög?

Sök med bokstav