lämpölaajeneminen

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

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.

Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin

Kappaleen laajenemista tutkittaessa vain yhdessä suunnassa käytetään lineaarista lämpölaajenemiskerrointa . Kappaleen pituuden muutos voidaan ratkaista yhtälöstä

missä on kappaleen alkuperäinen pituus ja on lämpötilan muutos.

Esimerkiksi raudan lineaarinen lämpölaajenemiskerroin on noin 12·10⁻⁶ 1/°C eli 0,000 012/°C huoneen lämpötilassa.

Kerroin voidaan ilmoittaa selkeämmin 12 μm/(m°C), eli yhden asteen lämpötilamuutoksella metrin terästanko laajenee 12 mikrometriä eli 0,012 mm.

Esimerkiksi metrin pituisen rautakappaleen lämmetessä kymmenen astetta sen pituus muuttuu 1000 mm · 10°C · 12·10⁻⁶ 1/°C = 0,12 mm.

Tilavuuden lämpölaajenemiskerroin

Koko kappaleen lämpölaajenemista vakiopaineessa kuvataan tilavuuden lämpölaajenemiskertoimella . Tällöin tilavuuden muutos

missä on kappaleen alkuperäinen tilavuus. Monille aineille pätee approksimaatio

Vaikutuksia

Kuumuudessa taipuneet raiteeet

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 peräkkäisten ratakiskojen välissä oli raot. Tarvittaessa isompaa liikevaraa kiskojen päät viistettiin ja laitettiin limittäin, jolloin viisto raon muoto aiheutti vähemmän tärinöitä kuin suora rako. Nykyään usein ratakiskot hitsataan yhteen ja lämpölaajeneminen estetään kiinnittämällä kisko tiukasti ratapölkkyihin, jolloin lämpötilanmuutokset aiheuttavat kiskoihin lämpöjännityksiä, eli kylmä aiheuttaa vetojännitystä ja kuuma puristusjännitystä.

Lämpölaajeneminemista käytetään hyväksi esimerkiksi junan pyörien kiinnittämisessä: Keskiö jäähdytetään ja rautaisia pyöriä kuumennetaan monta sataa astetta. Sitten kuuma pyörä sovitetaan sopivalla välyksellä valmistettuun keskiöön ja annetaan sen jäähtyä. Jäähtyessään pyörä puristuu tiukasti kiinni keskiöön ja täten saadaan luja kiinnitys. Teräksen lämpösovituksessa sovitustiukkuus on -0,01 mm/akselin halkaisijan 10 mm eli jos akseli on 50 mm tulee kiinnitettävän kappaleen reikä olla 49,95 mm ja sovituslämpötilaero 300 °C.

Myös analogisten lämpömittareiden toiminta perustuu lämpölaajenemiseen.

Katso myös

• Lämpöoppi