Lämpölaajeneminen (fysiikka): määritelmä, kertoimet ja käytännön esimerkit
Lämpölaajeneminen: selkeä määritelmä, lämpölaajenemiskertoimet, vaikutukset ja käytännön esimerkit (lämpömittarit, rautatiekiskot) — ymmärrä ilmiö nopeasti.
Fysiikassa lämpölaajeneminen tarkoittaa sitä, että aineen tilavuus tai mitat muuttuvat lämpötilan muuttuessa. Kun ainetta lämmitetään, sen perushiukkaset (atomit ja molekyylit) värähtelevät voimakkaammin ja keskimääräinen etäisyys toisistaan kasvaa, mikä yleensä näkyy makroskooppisena laajenemisena. Materiaalit, jotka supistuvat lämpötilan noustessa, ovat harvinaisia ja esiintyvät yleensä vain rajoitetuilla lämpötila-alueilla tai erikoisrakenteissa.
Määritelmä ja kaavat
Lämpölaajenemisastetta kuvaa yleensä lineaarinen lämpölaajenemiskerroin α (alfa), joka määritellään pituuden suhteelliseksi muutokseksi lämpötilan funktiona. Yksinkertaisin ja usein käytetty kaava lineaariselle laajenemiselle on
ΔL = α · L0 · ΔT
missä ΔL on pituuden muutos, L0 alkuperäinen pituus ja ΔT lämpötilan muutos (asteina kelvinissä tai celsius-asteina, koska näiden erot ovat samat differensseinä).
Alue- ja tilavuuslaajenemisen likiarvot saadaan lineaarisen kertoimen avulla: pinta-alan muutos on likimain ΔA ≈ 2α·A0·ΔT ja tilavuuden muutos ΔV ≈ 3α·V0·ΔT. Joissain yhteyksissä käytetään erikseen pinta-alan (β) ja tilavuuden (γ) laajenemiskertoimia, joiden suurin piirtein γ ≈ 3α ja β ≈ 2α.
Lämpölaajenemiskertoimet ja esimerkkejä
Lämpölaajenemiskertoimeksi, α ilmoitetaan yksikössä 1/K (tai K−1). Arvot riippuvat materiaalista ja lämpötila-alueesta; alla muutamia tyypillisiä suuruusluokkia:
- Alumiini: noin 22–24 × 10−6 /K
- Kupari: noin 16–17 × 10−6 /K
- Teräs: noin 11–13 × 10−6 /K
- Lasi (tavallinen): noin 8–9 × 10−6 /K
- Betoni: noin 10–12 × 10−6 /K
Erikoistapauksena vesi käyttäytyy poikkeavasti lähellä jäätymispistettä: vesi laajenee jäätyessään ja tiheys on suurimmillaan noin +4 °C. On myös materiaaleja ja rakenteita, joilla on negatiivinen lämpölaajenemiskerroin tietyllä lämpötila-alueella (esim. jotkut keraamiset yhdisteet kuten ZrW2O8 tai erityisrakenteiset komposiitit).
Käytännön laskuesimerkki
Esimerkki: 10,0 m pitkä teräsraide (α ≈ 12 × 10−6/K) lämpenee 30 °C. Pituuden muutos on
ΔL = 12×10−6 · 10,0 m · 30 = 0,0036 m = 3,6 mm.
Tämä osoittaa, että pitkissä rakenteissa pieniltä tuntuvat kertoimet voivat johtaa merkittäviin pituusmuutoksiin.
Käytännön sovelluksia ja ongelmia
Lämpömittarit hyödyntävät lämpölaajenemista mittaamalla esimerkiksi kapillaarissa liikkuvan nestettä (elohopea tai väriaineella seostettu alkoholi). Myös kaksimetallisuorat ja tietyt komposiittirakenteet perustuvat eri materiaalien erisuuruisiin laajenemiskertoimiin.
Lämpölaajenemisesta voi olla haittaa monissa rakenteissa: rautateiden kiskot voivat vääntyä tai "lommahtaa" lämpötilan vaihdellessa, sillat ja rakennusten liitoskohdat vaativat liitäntöjä lämpöliikkeen sallimiseksi, ja putkistot tarvitsevat taipuisia liitoksia tai laippoja lämpölaajenemisen kompensoimiseksi. Rautateillä käytetään jatkuvasti hitsattuja kiskoja, mutta niiden asennuksessa huomioidaan asennuslämpötila ja käytetään laajennuskohtia tai -ankkureita estämään teisintä vääntymistä.
Kiskoihin asennetaan usein valvontajärjestelmiä ja lämpömittauksia, joiden avulla voidaan varoittaa poikkeuksellisen korkeista lämpötiloista ja tarvittaessa rajoittaa junien nopeutta riskin pienentämiseksi ja dynaamisten kuormien vähentämiseksi. Joissakin lämpimissä oloissa kiskojen pinta voidaan maalata vaaleaksi, jotta se heijastaa auringon säteilyä ja vähentää paikallista kuumenemista.
Ratkaisuja ja mittaus
Tyypillisiä käytännön ratkaisuja lämpölaajenemisen haittojen hallintaan ovat:
- laajennusliitokset ja liikkuvat tuet silloissa ja radoissa,
- liukuvat pilarit ja liitosrakenteet rakennuksissa,
- kumilla tai joustavilla liitoksilla varustetut putkijärjestelmät ja kelluvat laipat,
- materiaalivalinnat ja komposiitit, joissa eri komponenttien laajenemiskertoimet kompensoivat toisiaan.
Lämpölaajenemista mitataan muun muassa dilatometreillä, optisilla menetelmillä (interferometria) ja erillisillä pituusmittauksilla eri lämpötiloissa. Suunnittelussa huomioidaan usein myös lämpötilariippuvuus: α voi muuttua lämpötilan mukana, joten tarkempia laskelmia varten käytetään materiaali- tai taulukkoarvoja tietyillä lämpötila-alueilla.
Yhteenveto
Lämpölaajeneminen on luonnollinen ja laajalti huomioon otettava ilmiö tekniikassa ja arjessa. Ymmärtämällä materiaalien laajenemiskertoimet ja käyttämällä oikeita suunnitteluratkaisuja voidaan estää rakenteellisia vaurioita ja varmistaa turvallinen sekä pitkäikäinen toiminta erilaisissa lämpötilaympäristöissä.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä lämpölaajeneminen on fysiikassa?
V: Lämpölaajeneminen fysiikassa on aineen taipumus muuttaa tilavuuttaan lämpötilan muuttuessa.
K: Mitä aineen perushiukkasille tapahtuu, kun sitä lämmitetään?
V: Kun ainetta lämmitetään, sen perushiukkaset liikkuvat nopeammin ja säilyttävät suuremman keskimääräisen eron.
K: Ovatko aineet, jotka supistuvat lämpötilan noustessa, yleisiä vai harvinaisia?
V: Aineet, jotka supistuvat lämpötilan noustessa, ovat harvinaisia.
K: Mikä on lämpölaajenemiskerroin?
V: Lämpölaajenemiskerroin on laajenemisaste jaettuna materiaalin lämpötilan muutoksella, joka yleensä vaihtelee lämpötilan mukaan.
K: Voiko lämpölaajenemisesta tulla ongelma junille?
V: Kyllä, lämpölaajenemisesta voi tulla ongelma junille, koska se voi aiheuttaa kiskojen vääntymisen.
K: Miten lämpömittarit käyttävät lämpölaajenemista?
V: Lämpömittarit sisältävät nestettä, joka voi liikkua vain yhteen suuntaan (putkea pitkin), kun tilavuus muuttuu lämpötilan mukana.
Kysymys: Mitä junakiskojen valvojat tekevät, jos lämpötila nousee epätavallisen korkeaksi?
V: Junakiskoissa olevat monitorit varoittavat viranomaisia, jos lämpötila nousee epätavallisen korkeaksi, ja junia voidaan kehottaa hidastamaan vauhtia kitkalämpötilan vähentämiseksi.
Etsiä