värmeutvidgning

Värmeutvidgning är en fysikalisk process där ett materials dimensioner ändras när temperaturen ökar eller minskar. Orsaken är att atomernas vibrationer ökar med temperaturen och att avstånden mellan atomerna generellt ökar i de flesta material. Både fasta ämnen och vätskor uppvisar utvidgning, medan gaser kan expandera mycket vid temperaturförändringar.

Den linjära termiska expansionskoefficienten α beskriver hur en längd L0 förändras: ΔL ≈ α L0 ΔT. Den volymetriska expansionskoefficienten β beskriver hur volymen V förändras: ΔV ≈ β V0 ΔT. För isotropt fasta ämnen är β ungefär tre gånger α (β ≈ 3α). Koefficienterna beror på material och temperaturintervall och används i praktiska beräkningar och konstruktioner.

Värdena varierar mycket mellan material. Metaller ligger ofta i spannet cirka 10^-6 till 25×10^-6 per kelvin. Exempel: stål runt 11–13×10^-6 /K, aluminium cirka 22–24×10^-6 /K, koppar cirka 16–17×10^-6 /K. Betong och glas ligger ungefär i 10–12×10^-6 /K. Plastmaterial har ofta högre värden, ibland flera gånger 10^-5 /K. Vätskor uppvisar också utvidgning och är ofta större än fasta ämnen över samma temperaturintervall, men är beroende av tryck och sammansättning.

Praktiskt innebär värmeutvidgning att konstruktioner och sammanfogningar måste ta hänsyn till temperaturförändringar. Exempel är expansionsfogar i järnvägsspår, broar och rörsystem samt toleranser i mekaniska och aerokemiska konstruktioner. Mätning och design baseras på materialets α- och β-värden över relevanta temperaturer.