varmeutvidelser

Varmeudvidelser er ændringer i dimensioner hos materialer som følge af temperaturændringer. Når temperaturen stiger, udvider atomerne sig og afstanden mellem dem øges, hvilket får materialet til at ændre længde, bredde og volumen. Omvendt trækker det sig sammen ved nedkøling. Udvidelsen kan være lineær (længde), arealudvidelse eller volumenudvidelse og afhænger af materialet og temperaturintervallet.

Den lineære ekspansionskoefficient α beskriver ændringen i længde pr. enhed længde per temperaturændring: ΔL = α L0 ΔT. Arealudvidelse følger ΔA = α_A A0 ΔT med α_A ≈ 2α for isotrope materialer. Volumenudvidelse følger ΔV = α_V V0 ΔT med α_V ≈ 3α for isotrope faste stoffer.

Typiske værdier: metaller har små ekspansionskoefficienter omkring 10-30×10^-6 /K; stål ca. 11×10^-6 /K, aluminium ca. 23×10^-6 /K, glas omkring 9×10^-6 /K. Plastmaterialer spænder bredt, ofte 20–100×10^-6 /K. Vand har en særegen opførsel omkring 4°C, hvor volumenudvidelsen nærmest ændrer tegn; uden for dette område udvider vandet sig som andre væsker. Gasser udvider sig betydeligt mere med temperatur end faste stoffer.

Anvendelser og designhensyn: varmeudvidelser er centrale i konstruktion og teknik, hvor temperaturvariationer skal håndteres. Ekspansionsfuger i broer og jernbaneskinner bruges til at afstemme udvidelser; bimetale strimler og termostater udnytter forskellig varmeudvidelse mellem materialer. Præcisionsteknik kræver kendskab til α og passende toleranceberegning for at undgå spændinger og fejl. Måling af termisk ekspansion udføres med dilatometre og interferometri.

Særlige forhold: visse materialer er ikke isotrope og udviser retningseffekter i udvidelsen; enkelte materialer kan have negativ termisk udvidelse over dele af temperaturintervallet.