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 $\backslash alpha$. Kappaleen pituuden muutos $\backslash Delta\; L$ voidaan ratkaista yhtälöstä

$\backslash Delta\; L\; =\; \backslash alpha\; \backslash Delta\; T\; L\_\{0\}\; ,\backslash ,\backslash !$

missä $L\_0$ on kappaleen alkuperäinen pituus ja $\backslash Delta\; T$ 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.

Tilavuuden lämpölaajenemiskerroin

Koko kappaleen lämpölaajenemista vakiopaineessa kuvataan tilavuuden lämpölaajenemiskertoimella $\backslash beta$. Tällöin tilavuuden $V$ muutos

$\backslash Delta\; V\; =\; \backslash gamma\; \backslash Delta\; T\; V\_\{0\}$

missä $V\_0$ on kappaleen alkuperäinen tilavuus. Monille aineille pätee approksimaatio

$\backslash gamma\; \backslash approx\; 3\backslash alpha\; \backslash ,\backslash !\; .$

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 kuumemmaksi. 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.

Katso myös

• Lämpöoppi