熱膨張率
物体の長さは温度上昇と元の長さに比例した量で伸び縮みする、すなわち
ΔL = α L ΔT(ΔL: 伸び、L: 長さ、ΔT: 温度上昇)
という関係にあり、温度の上昇に対応して長さが変化する割合を線膨張率(線膨張係数)と言う。また、同様に体積の変化する割合を体積膨張率と言う。線膨張率を α 、体積膨張率を β とすると β ≒ 3α の関係がある。
原子間の結合の強さで決まる物性値なので、材料の融点と相関がある。
ある温度で体積変化を伴う相転移を起こす性質を利用して、使用温度領域で、線膨張が小さくなっている合金(アンバーまたはインバー合金)もある。
なお、熱膨張率の異なる材料を組合せて使う場合や、一様な材料でも急な熱勾配が生じた場合、熱膨張の違いから熱応力が生じる。この熱応力により、材料にクラックなどが入って壊れることがあり、様々なものの故障原因のひとつとなっている。
プルトニウムやタングステン酸ジルコニウムなどの一部の物質は、温度の上昇により収縮するという負の熱膨張を起こす。身近なところでは、水が0 °Cから3.98 °Cまでの範囲で負膨張を起こす。近年では、理化学研究所が2005年に、マンガン窒化物をベースとした負膨張率の高い新素材の開発に成功している。
温度変化による自由熱膨張(あるいは収縮)が拘束される場合に物体内に生じる応力を熱応力、ひずみを熱ひずみという。
線膨張率 α、ヤング率 E の棒が、その両端を固定され長さが変化しない状態で ΔT だけ温度変化したとき、その棒に生じる熱応力 σt と熱ひずみ εt は
σ t = − α E Δ T , ε t = − α Δ T {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{t}&=-\alpha E\Delta T,\\\epsilon _{t}&=-\alpha \Delta T\end{aligned}}}
となる。
機械装置の起動時などのような過渡的な状態では、物体に急激な加熱または冷却が加わり一時的に大きな温度分布が生じることがある。このような場合に生じる熱応力を非定常熱応力、特に急速な非定常熱応力が生じる現象を熱衝撃という。熱衝撃の理論的な解析には、ビオ数が用いられる。