varmeudvidelse

Varmeudvidelse, eller termisk ekspansion, er ændringen i et materials størrelse som svar på ændringer i temperatur. For en lineær dimension følger ændringen typisk ΔL = α L0 ΔT, hvor L0 er startlængden, ΔT ændringen i temperatur og α den lineære ekspansionskoefficient. α varierer mellem materialer og angiver hvor meget et stykke materiale udvider sig pr. grad temperaturstigning. Typiske værdier ligger i størrelsesordenen 10^-6 til 10^-5 per kelvin. Eksempelvis har stål omkring 11–13 × 10^-6 /K, aluminium omkring 22–24 × 10^-6 /K, og beton omkring 11–12 × 10^-6 /K.

Årsagen er at atomernes gennemsnitlige afstand øges, når de vibrerer mere ved højere temperatur. I krystallinske materialer bestemmes udvidelsen af bindingernes styrke og gitterstrukturen. Ud over lineær udvidelse beskrives også volumetrisk ekspansion, hvor β ≈ 3α for isotrope materialer, og ΔV ≈ β V0 ΔT.

I praksis kan varmeudvidelse give mekaniske spændinger og deformationer, hvis dimensionerne ikke får lov at ændre sig frit. Derfor indgår ekspansionsfuger i bygninger og broer, ekspansionsløkker i rørledninger og kedelinstallationer samt fleksible forbindelser i jernbanesystemer. Ved stigende temperatur udvider elementer sig normalt uafhængigt af hinanden, mens samlinger og kontakter indstilles til at kunne bevæge sig.

Materialer kan være anisotrope eller have forskellig udvidelse i forskellige retninger. Træ og kompositmaterialer kan udvide mere i én retning end i en anden; i krystaller kan væsentlig retning gi­ne forskellige α-værdier. Derfor bruges orientering af fibre og krystalretning til at styre termisk bevægelse i nogle applikationer.

Til måling og anvendelse anvendes instrumenter som dilatometre til at bestemme α for materialer. Den viden bruges i konstruktion og produktion til at tilpasse tolerancer, vælge passende materialer og designe bevægelser og mellemrum, der kan rumme temperaturændringer.