熱膨張
熱膨張率は、温度の変化に伴って物体の大きさがどのように変化するかを示すものである。具体的には、一定圧力における温度変化1°Cごとに生じる体積変化率を測ったもので、係数が低いほど大きさが変化しづらい傾向になる。体積膨張率・面積膨張率・線膨張率の種類がある。どれを用いるかは重要と考えられる次元によって変わる。固体だと、長さや面積の変化だけに関心が向かう場合がある。
体積膨張率が最も基本的な熱膨張率であり、流体では最も重要である。一般に、温度変化による物質の膨張・収縮はあらゆる方向に起こる。あらゆる方向に同じ割合で膨張する物質は等方性と呼ばれる。等方性物質の場合、面積および体積の熱膨張係数はそれぞれ線熱膨張係数の約2倍および3倍になる。
これら係数の数学的定義は、固体・液体・気体で以下のように定められている。
状態方程式が適用できる場合は、それを用いれば与えられた温度や圧力(そのほか多くの必要な状態量すべて)における熱膨張の値を予測することができる。
液体中に存在する分子間力は比較的弱く、その構成分子はより可動性があるため、液体の熱膨張は通常だと固体よりも大きくなる。理論的には、線膨張率は体積膨張率 (αV ≈ 3αL) から見出だせる。液体は、固体とは違って明確な形状を持たず、容器の形状を取る。したがって、液体は明確な長さと面積を持たないため、液体の線膨張や面積膨張は重要ではない。ただしαL はαVの実験値から算出されることがある。
液体は一般的に加熱で膨張する。しかし、水ではこの一般的な振る舞いの例外がある。水は4 °C以下になると加熱で収縮する(負の熱膨張)。4 °Cより高い温度では典型的な正の熱膨張が見られる。
固体の熱膨張は通常だと温度にほとんど左右されない(低温を除く)が、液体は温度が違うと異なる割合で膨張する。