Lämpölaajeneminen

Lämpölaajeneminen tarkoittaa materiaalien laajenemista eli tilavuuden kasvamista lämpötilan noustessa. Lämpölaajenemisessa lämpölaajenemiskerroin on positiivinen, mutta jotkut harvat materiaalit voivat myös kutistua lämmetessään tietyillä lämpötilaväleillä, jolloin lämpölaajenemiskerroin on negatiivinen ja voidaan puhua lämpökutistumisesta. Lämpölaajeneminen ei ole välttämättä lineaarista, vaan materiaalista riippuen mahdolliset tietyt lämpötilavälit, materiaalin kiderakenteet ja olomuodonmuutokset vaikuttavat lämpölaajenemiskertoimeen. Lämpölaajeneminen ei vaikuta vain yhteen suuntaan vaan luonnollisesti kun lämpötila laskee, tapahtuu käänteinen muutos materiaalissa eli materiaalin tilavuus pienenee. Lämpölaajenemisen vaikutuksia voidaan laskea pituuksille (kuinka paljon kappale pidentyy) ja tilavuuksille (kuinka paljon kappaleen tilavuus kasvaa). Lämpölaajenemisen vaikutuksia voidaan laskea kiinteille olomuodoille, nesteille ja kaasuille.

Fysikaalinen tulkinta 

Aineen lämpölaajenemista kuvaa lämpölaajenemiskerroin, joka kertoo paljonko kappaleen koko muuttuu sen lämpötilan muuttuessa yhden asteen Celsius- tai Kelvin-asteikolla. Kerroin voi riippua lämpötilasta ja kappaleen rakenteesta (muun muassa kiderakenteesta) ja olla eri suuruinen eri suuntiin. Lämpölaajenemiskertoimen yksikkö on 1/°C tai 1/K.

Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin

Kappaleen laajenemista tutkittaessa vain yhdessä suunnassa käytetään pituuden lämpötilakerrointa eli lineaarista lämpölaajenemiskerrointa . Kappaleen pituuden muutos  voidaan ratkaista yhtälöstä

,

missä  on kappaleen alkuperäinen pituus ja  on lämpötilan muutos.

Esimerkiksi raudan lineaarinen lämpölaajenemiskerroin on noin
12·10−6 1/°C eli 0,000 012/°C huoneenlämpötilassa. 

Kerroin voidaan ilmoittaa selkeämmin 12 μm/(m°C), eli yhden asteen lämpötilanmuutoksella metrin terästanko laajenee 12 mikrometriä eli 0,012 mm. 

Esimerkiksi metrin pituisen rautakappaleen lämmetessä kymmenen astetta sen pituus muuttuu
1000 mm · 10°C · 12·10−6 1/°C = 0,12 mm.

Tilavuuden lämpölaajenemiskerroin

Koko kappaleen lämpölaajenemista vakiopaineessa kuvataan tilavuuden lämpölaajenemiskertoimella . Tällöin tilavuuden  muutos

missä  on kappaleen alkuperäinen tilavuus. Isotrooppisille aineille pätee approksimaatio

.

Approksimaatio voidaan perustella, kun ajatellaan aineen laajenevan pituutensa osalta joka suuntaan saman verran. Tämän seurauksena aineesta koostuvan kappaleen tilavuus muuttuu, mutta se säilyttää muotonsa. Johdetaan approksimaatio olettamalla kuution muotoinen kappale, jonka sivunpituus on :

Approksimaatiossa pituuden lämpötilakerroin oletetaan hyvin pieneksi, jolloin sen toiseen tai kolmanteen potenssiin korotettuna sisältämät termit approksimoidaan nollaksi. 
Seuraa, että

Lämpölaajenemiskertoimia

Vaikutuksia 

Jos lämpenevä kappale on pitkä, on lämpölaajenemisen aiheuttama pituuden muutos myös varsin suuri. Tämän vuoksi lämpölaajeneminen pitää ottaa huomioon esimerkiksi sillanrakennuksessa. Sillan ramppeihin tehdään yleensä pienet raot, jotka sallivat sillan laajentua ja kutistua rikkoutumatta. Samoin rautatieliikenteen alkuvaiheessa peräkkäisten ratakiskojen välissä oli raot. Tarvittaessa isompaa liikevaraa kiskojen päät viistettiin ja laitettiin limittäin, jolloin viisto raon muoto aiheutti vähemmän tärinöitä kuin suora rako. Nykyisin tekniikan kehittymisen myötä ratakiskot hitsataan yhteen ja lämpölaajeneminen estetään kiinnittämällä kisko tiukasti ratapölkkyihin, jolloin lämpötilanmuutokset aiheuttavat kiskoihin lämpöjännityksiä, eli kylmä aiheuttaa vetojännitystä ja kuuma puristusjännitystä. 

Lämpölaajenemista hyödynnetään esimerkiksi junan pyörien kiinnittämisessä: Keskiö jäähdytetään ja teräksisiä pyöriä kuumennetaan monta sataa astetta. Sitten kuuma pyörä sovitetaan sopivalla välyksellä valmistettuun keskiöön ja annetaan sen jäähtyä. Jäähtyessään pyörä puristuu tiukasti kiinni keskiöön ja täten saadaan luja kiinnitys. Teräksen lämpösovituksessa sovitustiukkuus on –0,01 mm/akselin halkaisijan 10 mm eli jos akseli on 50 mm tulee kiinnitettävän kappaleen reikä olla 49,95 mm ja sovituslämpötilaero 300 °C.

Myös analogisten lämpömittareiden toiminta perustuu lämpölaajenemiseen, paitsi sähköisten analogisten mittareiden.

Katso myös
 Termodynamiikka

Lähteet

Aiheesta muualla 

Termodynamiikka
Lämpötila
Rakennesuunnittelu
Seulonnan keskeiset artikkelit