Коэффициент теплового расширения

Коэффицие́нт теплово́го расшире́ния — физическая величина, характеризующая относительное изменение объёма или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К при постоянном давлении.

Коэффициент теплового расширения имеет размерность обратной температуры. Различают коэффициенты объёмного теплового и линейного теплового расширений. Коэффициент теплового расширения может быть непостоянным при разных температурах.

Коэффициент объёмного теплового расширения 
 , К −1 (°C−1) — физическая величина, которая описывает относительное изменение объёма тела, происходящее в результате изменения его температуры на  при постоянном давлении. Коэффициент объемного теплового расширения связан с изменением всех трех измерений (длины, ширины и высоты) вещества вместе.
 Математически, коэффициент объемного теплового расширения можно выразить через коэффициент линейного теплового расширения (α): β = 3α,  где:
 β — коэффициент объемного теплового расширения,
 α — коэффициент линейного теплового расширения.  Коэффициент объемного теплового расширения также зависит от структуры и химических свойств вещества, и он может различаться для разных материалов.

Коэффициент линейного теплового расширения 

  , К −1 (°C−1) — относительное изменение линейных размеров тела, происходящее в результате изменения его температуры на  при постоянном давлении.

В общем случае, коэффициент линейного теплового расширения может быть различен при измерении вдоль разных направлений. Например, у анизотропных кристаллов, древесины коэффициенты линейного расширения по трём взаимно перпендикулярным осям: . Для изотропных тел коэффициенты теплового расширения по всем осям равны:

 

Для изотропных тел коэффициент объёмного расширения равен утроенному коэффициенту линейного расширения, то есть  так как:

членами второго и третьего порядка малости можно пренебречь.

Коэффициенты теплового расширения для некоторых веществ

Для воды 
Вода, в зависимости от температуры, имеет различный коэффициент объёмного расширения:
 отрицательный при температуре 0—4 °C
 0,53 К−1 (при температуре 5—10 °C);
 1,50 К−1 (при температуре 10—20 °C);
 3,02 К−1 (при температуре 20—40 °C);
 4,58 К−1 (при температуре 40—60 °C);
 5,87 К−1 (при температуре 60—80 °C).

Для ртути 
Коэффициент объёмного расширения ртути слабо зависит от температуры:
 1,77 К−1 (при температуре −23 °C);
 1,81 К−1 (при температуре 27 °C);
 1,82 К−1 (при температуре 87 °C);
 1,82 К−1 (при температуре 137 °C).

Для железа и конструкционных сталей 
Для железа коэффициент линейного расширения равен 11,3×10−6 K−1.

Таблица значений коэффициента линейного расширения α, 10−6K−1

Отрицательный коэффициент теплового расширения 

Некоторые материалы при повышении температуры демонстрируют не расширение, а наоборот, сжатие, то есть имеют отрицательный коэффициент теплового расширения. Для некоторых веществ это проявляется на довольно узком температурном интервале, как, например, у воды на интервале температур от 0 до +3,984 °С, для других веществ и материалов, например фторид скандия(III), вольфрамат циркония (ZrW2O8), некоторых углепластиков интервал весьма широк. Подобное поведение демонстрирует также обычная резина. При сверхнизких температурах аналогичным образом ведут себя кварц, кремний и ряд других материалов. Также существуют инварные сплавы (ферро-никелевые), имеющие в некотором диапазоне температур коэффициент теплового расширения, близкий к нулю.

Есть и другие материалы с отрицательными коэффициентами теплового расширения, но они довольно редки и специфичны по своим свойствам. В большинстве случаев материалы имеют положительные коэффициенты теплового расширения и расширяются при нагреве, как это обычно наблюдается.

Измерение коэффициента теплового расширения 

Приборы для измерения коэффициента теплового расширения жидкостей, газов и твёрдых тел называют дилатометрами.

Метод интерферометрии позволяет наблюдать изменение длины образца с высокой точностью, измеряя изменение интерференции света, проходящего через образец.

См. также 

 Объёмный коэффициент нефти
 Тепловое расширение

Примечания

Ссылки 
 Таблица-справочник для некоторых металлов (PDF)
 Коэффициент линейного расширения сталей по ПНАЭ Г-7-002-86

Физические величины
Термодинамика
Материаловедение