Тепловое расширение

Компенсационный температурный шов в автодорожном мосту, используется для предотвращения повреждения дорожного полотна от теплового расширения

Теплово́е расшире́ние (также используется термин «термическое расширение») — изменение линейных размеров и формы твёрдого тела при изменении его температуры. Количественно тепловое расширение жидкостей и газов при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным коэффициентом теплового расширения). Характеристика теплового расширения твёрдых тел — коэффициент линейного теплового расширения.

Раздел физики, изучающий тепловые расширения называется дилатометрией, приборы для измерения теплового расширения называются дилатометры.

Тепловое расширение тел учитывается при проектировании и конструировании многих установок, приборов, машин и сооружений, работающих при значительных изменениях температуры - например, паровых и водогрейных котлов, тягодутьевых машин, паровых турбин, технологических печей, двигателей, при строительстве железных дорог, трамвайных путей, линий электропередачи и контактных сетей.

Теория

Тепловое расширение твёрдого тела. При изменении температуры на $\mathrm{\Delta }T$ длина тела изменяется на $\mathrm{\Delta }L.$ В данном случае рассматривается деформация без возникновения внутренних напряжений. В статически неопределимой системе, например, если стержень защемлён с двух сторон, возникли бы напряжения сжатия при нагреве, и растяжения при охлаждении.

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером $L$ в соответствующем измерении при увеличении его температуры на $\mathrm{\Delta }T$ и отсутствии внешних механических сил расширяется на величину $\mathrm{\Delta }L$, равную:

$\mathrm{\Delta }L=\alpha L\mathrm{\Delta }T,$

где $\alpha$ — так называемый коэффициент линейного теплового расширения.

Аналогичные формулы имеются для определения изменения площади и объёма тела при тепловом расширении. В приведённом простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в соответствии с вышеприведённой формулой.

Если в твёрдом теле основным механизмом расширения и других тепловых эффектов является увеличение амплитуды колебаний кристаллической решётки, то в случае жидкости — это уменьшение числа ближайших соседей Z, которое характеризует ближний порядок (кристалл обладает как дальним, так и ближним порядком, жидкость — только ближним, газ — никаким; следовательно, кристалл сохраняет и объём, и форму, жидкость — только объём, а газ не имеет ни фиксированного объёма, ни формы). Поэтому простая дырочная модель жидкости, исходящая из наличия в жидкости ближнего порядка, характеризующегося числом ближайших соседей Z, хорошо описывает тепловое расширение и другие температурные эффекты вплоть до критической температуры, по крайней мере, в достаточно простых жидкостях.

См. также

• Дилатометр
• Коэффициент теплового расширения

Ссылки

• Тепловое расширение // Элементы.ру