熱膨張は、温度の大きな変化によって引き起こされる物体の寸法の変化を特徴とする物理現象です。この現象は、固体、液体、気体の状態にある物体で発生する可能性があります。物体が加熱されると、その分子の撹拌が増加するため、場合によってはそのサイズが増加したり、場合によっては減少することさえあります。
まとめ
物体が温度変化を受けると、熱膨張が発生します。
熱膨張は、本体の初期寸法とその膨張係数によって決まります。
本体の形状によって、加熱中に最も大きくなる膨張の種類が決まります。
熱膨張には、線膨張、表面膨張、体積膨張の 3 つのタイプがあります。
同じ物質から作られた物体の場合、表面膨張係数は線膨張係数の2倍に相当し、体積膨張係数は3 倍に相当します。
物理学における熱膨張とは何ですか?
熱膨張は物体の温度と密接に関係しています。温度の上昇は、顕熱源によって提供される熱エネルギーの増加により、分子の振動、回転、さらには広い空間内での移動を開始する分子の撹拌度の増加として理解できます。
どの物体にも少なくとも3 つの空間次元(幅、高さ、奥行き) があるため、すべての物体は体積膨張、つまり空間の 3 方向に沿った寸法の増加を受ける可能性があります。ただし、多くの物体は1 つまたは複数の次元に有利な形状を持っています。より細長いものもあれば、平らな形状のものもあり、 3 つの次元が互いに類似しているものもあります。
細長い形状のボディは、長さが最も重要な寸法であるため、線膨張の影響をさらに受けます。このタイプの体の例としては、ポール、髪の毛、針、チューブなどに使用される金属ワイヤーが挙げられます。
平らな対称性を持つ物体は、金属板、テーブルトップ、板、歩道などの場合のように、その面積が大きく変化する傾向があり、主に表面の膨張が見られます。三次元物体は空間の 3 方向に同様に寸法変化を起こし、体積膨張を構成します。このタイプの物体の例としては、気体、液体、立方体形状の固体などが挙げられます。
物体の形状に加えて、膨張の発生に関するもう 1 つの重要な要素は、物体を構成する物質の特性である膨張係数です。膨張係数には、線膨張係数（α）、表面膨張係数（β）、体積膨張係数（γ）の3種類があります。物体の膨張係数が大きいほど、℃ (摂氏) または K (ケルビン) 単位での特定の温度変化に対する膨張も大きくなります。
さらに、熱膨張は、人体が経験する温度変化 ( ΔT ) (°CまたはK (ケルビン) 単位) にも比例します。そのため、ある温度範囲内では、物体を加熱するほど、より多くの膨張が発生します。
膨張係数
同じ材料を使用して、線形、表面対称、および体積対称のボディを作成できます。この場合、各物体は異なる膨張係数を持ちますが、物体は同じ物質で構成されているため、異なる膨張係数の間に関係を確立することができます。ご注意ください：
膨張係数に使用される物理量は℃ – ¹またはK – ¹ですが、どちらも等価な量なので自由に使用できます。次の表は、いくつかの材料の線膨張係数の値を示しています。
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材料 |
線膨張係数 α (℃ – ¹ または K – ¹) |
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アルミニウム |
2.4.10 -5 |
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銅 |
1.7.10 -5 |
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ガラス |
0.4.10 -5 ～ 0.9.10 -5 |
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鋼鉄 |
1,2.10 -5 |
さらに、熱膨張係数は特定の温度範囲ではほぼ一定であることを知っておくことが重要です。したがって、上の表に示されている値は数百度の範囲でのみ有効であり、物質によって異なる場合があります。
線形拡張
物体が経験する線膨張を計算するには、次の式を使用します。
キャプション：
ΔL= L F – L 0 –変動 の 長さ(m – メートル)
L 0 –初期長さ (メートル– メートル)
L F –最終長さ (メートル– メートル)
α – 線膨張係数 (°C -1または K -1 )
ΔT –温度変化 (°C または K)
線形拡張は主に、細長い対称性を持つボディに適用されます。次のスキームを観察してください。
上の図では、温度変化により線膨張する金属ワイヤがあります。
次の図では、加熱する電流が流れると大きな線形熱膨張を受ける金属フィラメントを示しています。ご注意ください：
表面拡張
線膨張の場合と非常によく似た方法で、面膨張の公式を以下に示します。
キャプション:
ΔS= S F – S 0 –変動 の 面積(m² – 平方メートル)
S 0 –初期領域 (m² – 平方メートル)
SF –最終エリア (m² – 平方メートル)
β – 表面膨張係数 (°C -1または K -1 )
ΔT –温度変化 (°C または K)
表面の膨張は、プレートなどの領域に似た形状の物体で発生します。以下の図を見てください。
上の図では、温度差により表面が膨張する金属シートがあります。
プレートの表面に穴がある場合、この穴もプレートと同じ割合で増加することを知っておくことも重要です。
体積膨張
体積膨張の計算に使用される式は、他の式と非常に似ています。見て：
キャプション:
ΔV= V F – V 0 –変動 体積 (m3 – 立方メートル)
V 0 –初期ボリューム (m3 – 立方メートル)
V F –最終巻 (m3 – 立方メートル)
γ – 体積膨張係数 (°C -1または K -1 )
ΔT –温度変化 (°C または K)
体積膨張は、気体、液体、三次元固体などの三次元対称の物体で顕著に発生します。次のスキームを観察してください。
上の図では、温度変化の結果として体積膨張する 3 次元の物体が示されています。
次の図は、 Gravesand Ringと呼ばれる実験装置を示しています。この装置の主な目的は、冷却された場合にのみ金属リングを通過できる金属球の熱膨張を実証することです。
熱膨張に関する演習
長さ40 cm 、幅40 cmの正方形の金属板の温度は25 °Cです。プレートが150 °C に加熱され、その線膨張係数が25 x 10 -6 °C -1であるとします。このようにして、次のように計算します。
a) 25 °C ～ 150 °C でのシートの線膨張。
b) シートの表面膨張係数のモジュール。
c) シートの表面膨張。
d) 30℃におけるプレートの最終領域。
d) 150℃におけるプレートの面積。
解決：
a)シートの線膨張を計算するには、次の式を使用します。
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演習で提供されたデータを取得すると、長さがメートルで指定されていることがわかります。したがって、各メートルが100 cmであることを覚えておく必要があり、次のようになります。
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b)ご存知のように、単一の物質から作られた物体の表面膨張係数は線膨張係数の 2 倍であるため、このシートの表面膨張係数は50.10 -6 °C – ¹となります。
c)プレートが受ける表面膨張を計算するには、次の式を使用します。
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正方形のプレートの初期面積を計算するには、その辺の値をメートル単位で二乗し、初期面積は0.16 m²になります。このようにして、次のことを行う必要があります。
d)シートの最終面積は、初期面積とシートが経験した膨張の合計であり、項目 c ですでに計算されているため、 150 °Cでのシートの最終面積は次のようになります。 0.16 + 1.00.10 – 3 = 0.161 平方メートル。
熱膨張の例
線形膨張が発生する状況の例:
柱の束は暑い日には長くなり、寒い日には短くなります。
熱膨張の作用で曲がった線路。
建物内に存在する金属の梁は、大規模火災の際に膨張します。
表面拡張が起こる状況の例:
固着した金属ナットは加熱するとネジから緩む可能性があります。
温度変化や表面の熱膨張により破損する、歩道や分割なしで使用される大きなコンクリートブロック。
体積膨張が発生する状況の例:
水の温度が 4 ℃に達すると、異常膨張現象により膨張し、冷凍庫に放置されたガラス瓶が破損します。
温度の上昇により液体が容器から流出したとき。
燃料の質量ではなくガソリンの量に対して料金を支払うため、寒い日や量が少ない朝にガソリンを購入することをお勧めします。