Lämpölaajenemismuotot

Lämpölaajenemismuotot viittaavat aineen tilavuuden tai pituuden muutoksiin lämpötilan muutoksen seurauksena. Ilmiö perustuu siihen, että aineen atomit ja molekyylit liikkuvat nopeammin korkeammissa lämpötiloissa, mikä lisää niiden keskinäistä etäisyyttä. Lämpölaajenemista esiintyy kaikissa aineen olomuodoissa, mutta sen ilmenemismuodot ja mittakaava vaihtelevat.

Nestemäisissä aineissa lämpölaajeneminen ilmenee pääasiassa tilavuuden kasvuna. Esimerkiksi vesi laajenee lämpötilan noustessa 0–4 °C välillä poikkeuksellisesti, mutta normaalisti sen tilavuus kasvaa lämpötilan noustessa. Nestemäiset aineet laajenevat yleensä noin 0,1–0,5 prosenttia per aste Celsius-asteikolla, mutta tämä riippuu aineesta. Esimerkiksi alkoholit ja öljyt laajenevat hieman vähemmän kuin vesi.

Kiinteissä aineissa lämpölaajeneminen ilmenee pääasiassa pituuden tai tilavuuden kasvuna. Pituuslaajeneminen on erityisen tärkeää rakenteissa, kuten sillissä ja siltoissa, joissa se otetaan huomioon suunnittelussa. Kiinteät aineet laajenevat yleensä noin 0,01–0,05 prosenttia per aste, mutta metallit, kuten rauta ja alumiini, laajenevat hieman enemmän kuin esimerkiksi lasi tai keraamiset materiaalit. Poikkeuksena ovat joitakin aineita, kuten kvartsia, jotka laajenevat lähes ei-linjäisesti.

Kaasumaisissa aineissa lämpölaajeneminen on erityisen voimakasta, sillä niiden molekyylit ovat vapaasti liikkuvia. Kaasujen tilavuus kasvaa lämpötilan noustessa suhteessa sen absoluuttiseen lämpötilaan (Kelvin-asteikolla), mikä kuvataan idealta kaasulta poikkeavalla kaasulain mukaan. Kaasujen laajeneminen on lineaarista, jos paine pysyy vakiona, ja se voi olla useita kymmeniä prosenttia per aste. Esimerkiksi ilman tilavuus kasvaa noin 0,36 prosenttia per aste Celsius-asteikolla vakion paineessa.