Тепловое расширение

Теплово́е расшире́ние (также используется термин «термическое расширение») — изменение линейных размеров и формы твёрдого тела при изменении его температуры. Количественно тепловое расширение жидкостей и газов при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным коэффициентом теплового расширения). Характеристика теплового расширения твёрдых тел — коэффициент линейного теплового расширения.

Компенсационный температурный шов в автодорожном мосту, используется для предотвращения повреждения дорожного полотна от теплового расширения

Раздел физики, изучающий тепловые расширения называется дилатометрией, приборы для измерения теплового расширения называются дилатометры).

Тепловое расширение тел учитывается при проектировании и конструировании многих установок, приборов, машин и сооружений, работающих при значительных изменениях температуры - например, паровых и водогрейных котлов, тягодутьевых машин, паровых турбин, технологических печей, двигателей, при строительстве железных дорог, трамвайных путей, линий электропередачи и контактных сетей.

Теория

Тепловое расширение твёрдого тела. При изменении температуры на ${\displaystyle \Delta T}$ длина тела изменяется на ${\displaystyle \Delta L.}$ В данном случае рассматривается деформация без возникновения внутренних напряжений. В статически неопределимой системе, например, если стержень защемлён с двух сторон, возникли бы напряжения сжатия при нагреве, и растяжения при охлаждении.

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером ${\displaystyle L}$ в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ${\displaystyle \Delta T}$ и отсутствии внешних механических сил расширяется на величину ${\displaystyle \Delta L}$, равную:

${\displaystyle \Delta L=\alpha L\Delta T,}$

где ${\displaystyle \alpha }$ — так называемый коэффициент линейного теплового расширения.

Аналогичные формулы имеются для определения изменения площади и объёма тела при тепловом расширении. В приведённом простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в соответствии с вышеприведённой формулой.

Если в твёрдом теле основным механизмом расширения и других тепловых эффектов является увеличение амплитуды колебаний кристаллической решётки, то в случае жидкости — это уменьшение числа ближайших соседей Z, которое характеризует ближний порядок (кристалл обладает как дальним, так и ближним порядком, жидкость — только ближним, газ — никаким; следовательно, кристалл сохраняет и объём, и форму, жидкость — только объём, а газ не имеет ни фиксированного объёма, ни формы). Поэтому простая дырочная модель жидкости^[1], исходящая из наличия в жидкости ближнего порядка, характеризующегося числом ближайших соседей Z, хорошо описывает тепловое расширение и другие температурные эффекты вплоть до критической температуры, по крайней мере, в достаточно простых жидкостях^[2].

См. также

• Дилатометр
• Коэффициент теплового расширения

Ссылки

• Тепловое расширение // Элементы.ру

Примечания

1. Cernuchi F., Eyring H. An Elementary Theory of the Liquid State // The Journal of Chemical Physics. — 1939. — Vol. 7, № 7. — P. 547—551.
2. Липкин А. И. Дырочный механизм температурной зависимости объёма и скорости звука в жидкости : [арх. 8 декабря 2015] // Акустический журнал. — 1992. — Т. 38, вып. 2. — С. 317—332. — УДК 538.951; 533.75^(G).