התפשטות תרמית

התפשטות תרמית  היא הנטייה של החומר לשינוי הנפח כתגובה לשינוי טמפרטורה.
כאשר החומר עובר חימום, החלקיקים מתחילים לנוע מהר יותר, ולכן בדרך כלל מתקבל מרחק ממוצע גדול יותר ביניהם. חומרים שמתכווצים עם עליית הטמפרטורה הם נדירים. האפקט הזה מתרחש בטווחי טמפרטורה מוגבלים (ראו דוגמאות בהמשך). אם נחלק את עוצמת ההתפשטות בשינוי בטמפרטורה, נקבל את המקדם של החומר להתפשטות תרמית. מקדם ההתפשטות התרמית משתנה עם הטמפרטורה.

חיזוי התפשטות

אם משוואת המצב זמינה, ניתן להשתמש בה כדי לחזות את הערכים של התפשטות תרמית בכל הטמפרטורות הנדרשות והלחצים, יחד עם הרבה פונקציות מצב אחרות.

תופעת ההתכווצות

מספר חומרים מתכווצים בחימום בתוך טווחי טמפרטורה מסוימים, וזה נקרא התפשטות תרמית שלילית, ולא "התכווצות תרמית". כך, לדוגמה, מקדם התפשטות תרמית של המים יורד לאפס כאשר הוא מקורר בערך ל-4 ° C, ואז הופך שלילי מתחת לטמפרטורה זו, זה אומר שיש למים צפיפות מקסימלית בטמפרטורה זו, וזה מוביל שגופי מים נמצאים בטמפרטורה זו בעומקים נמוכים יותר במהלך תקופות ארוכות. של מזג אוויר מתחת לאפס. כמו כן, לסיליקון טהור יש מקדם התפשטות תרמית שלילי בטווח טמפרטורות בין 18 קלווין ועד 120 קלווין.

גורמים המשפיעים על התפשטות תרמית

בניגוד לגזים או נוזלים, חומרים מוצקים נוטים לשמור על צורתם כאשר עוברים התפשטות תרמית. התפשטות תרמית בדרך כלל נמוכה יותר עם הגידול באנרגיית קשר, שיש לה גם השפעה על קשיות של מוצקים, ולכן, לחומרים קשיחים יש התפשטות תרמית נמוכה. נוזלים מתפשטים יותר ממוצקים אבל גם הם במידה מועטה. ההתפשטות התרמית של זכוכית גבוהה יותר מזו של גבישים . בהתארגנות מחדש של החלקיקים בטמפרטורת המעבר הזגוגית, אשר מתרחש בחומר אמורפי, מתרחשים שיבושים באיפיון של מקדם התפשטות תרמית או חום סגולי. שיבושים אלה מאפשרים זיהוי של טמפרטורת המעבר הזגוגית בהם הופך נוזל בקירור לזכוכית. ספיגה או שחרור של מים (או ממיסים אחרים) יכול לשנות את גודלם של חומרים נפוצים. חומרים אורגניים משנים את גודלם בספיגת ממסים, במידה רבה יותר מאשר בעקבות ההשפעה של ההתפשטות התרמית. פלסטיק נפוץ שנחשף למים, לטווח הארוך, יכול להתפשט באחוזים רבים.

מקדם התפשטות תרמית

מקדם התפשטות תרמית, מתאר כיצד הגודל של האובייקט משתנה עם שינוי הטמפרטורה. באופן ספציפי, זה מודד את השינוי בגודל בכל טמפרטורה בלחץ קבוע. מספר סוגים של מקדמים פותחו: מקדם נפחי, מקדם של שטח ומקדם ליניארי. כל מקדם תלוי ביישום מסוים שבו הממדים נחשבים חשובים. עבור מוצקים, אפשר לצפות לשינוי אורך, או שטח. מקדם התפשטות תרמית נפחי הוא מקדם התפשטות תרמית הבסיסי ביותר. באופן כללי, חומרים מתפשטים או מתכווצים כאשר הטמפרטורה שלהם משתנה, ההתפשטות או ההתכווצות מתרחשת לכל הכיוונים. חומרים המתפשטים באותו קצב לכל כיוון נקראים איזוטרופיים. עבור חומרים איזוטרופיים, ניתן לחשב מקדם שטח או מקדם לנארי באמצעות מקדם נפח.

התפשטות במוצקים

חומרים בדרך כלל משנים את הגודל שלהם, כאשר נחשפים לשינוי הטמפרטורה בעוד הלחץ מוחזק קבוע. במקרה מיוחד של חומרים מוצקים, הלחץ אינו משפיע באופן ניכר על גודלו של האובייקט, ולכן, למוצקים, בדרך כלל אין צורך לציין כי הלחץ מוחזק קבוע. בהנדסת חומרים, למוצקים נפוצים, בדרך כלל יש מקדמי התפשטות תרמית שאינם משתנים באופן משמעותי בטווח של טמפרטורות שבו הם נועדו לשמש, לכן אין צורך בדיוק גבוה. חישובים מעשיים יכולים להיות מבוססים על ערך קבוע, על בסיס ממוצע של מקדם התפשטות.

התפשטות ליניארית

מקדם התפשטות תרמית ליניארית מתאר שינוי "מידות ליניאריות" של החומר לשינוי הטמפרטורה. זהו שינוי השבר באורך לפי מידת שינוי הטמפרטורה. בהתעלמות מהלחץ, אנחנו יכולים לכתוב:
כאשר  הוא מימד ליניארי (למשל אורך) ו , הוא שיעור השינוי של ממד ליניארי לכל יחידת שינוי בטמפרטורה. 
ניתן להעריך שינוי בממד הליניארי: :

משוואה זו פועלת היטב כל עוד מקדם התפשטות ליניארי אינו משתנה בהרבה עם שינוי בטמפרטורה 
 . אם כן, המשוואה צריכה להיות משולבת.

חומרים אנאיזוטרופיים

חומרים בעלי מבנים אנאיזוטרופיים, כגון גבישים (עם פחות מסימטריה של קובייה) והרבה חומרים מרוכבים, בדרך כלל יש להם מקדמים שונים של התפשטות ליניארית  בכיוונים שונים. כתוצאה מכך, ההתפשטות הכוללת של הנפח מתחלקת באופן שווה בין שלושת הצירים. אם סימטריית הגביש היא מונוקליני או triclinic, אפילו הזוויות בין צירים אלה נכנעים לשינויים תרמיים. במקרים כאלה יש צורך לטפל במקדם ההתפשטות התרמית כמערכת וקטורים טנזור עם עד שישה אלמנטים עצמאיים. דרך טובה לבדוק את המרכיבים של הטנזור, הוא ללמוד את ההתפשטות על ידי שבירה של קרני X על דוגמיות אבקתיות של גבישים.