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- 熱膨張例
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熱膨張定義
固体、液体、気体のほとんどは加熱時に拡張し、冷却時に収縮します。 それらの熱膨張や熱収縮は通常小さく、目に見えるものではありません。 しかし、これらの膨張や収縮は日常生活において重要である。
物体の分子の運動エネルギーは、その温度に依存する。 固体の分子は低温より高温の方が大きな振幅で振動する。 したがって、加熱すると、物体の原子や分子の振動の振幅が大きくなる。 振動の振幅が大きくなると、互いに遠くへ押しやられる。
Let’s see the video now :
What is the difference between linear thermal expansion and volume thermal expansion?
Linear Thermal Expansion In Solids
It has observed that solids expand on heating and their expansion is almost uniform over a wide range of temperatures.これは、熱によって物質が膨張することで、広い温度範囲でほぼ一様に膨張することが観察されています。 ある温度T°にある長さL°の金属棒を考える。 ある温度Tに加熱したときの長さをLとすると
棒の長さの増加＝ΔL＝L-L0
温度の増加＝ΔT＝T-T°
固体の長さの変化ΔLは元の長さL°、温度の変化ΔTに直接比例することが判る。 すなわち
ΔL ∝L0ΔT
=αL0ΔT …(1)
L – L0=αL0ΔT …またはL =L0(1+αΔT) ……である。…(2)
ここで、αは物質の線熱膨張係数と呼ばれる。 (1)式より
α=ΔL/L°ΔT
線膨張係数
物質の線膨張係数αは温度上昇1ケルビンあたりの長さの増加割合で、
以下も参照してください。
線膨張係数
以下にいくつかの材料の線膨張の表を示します。
体積熱膨張
固体も温度の変化で体積が変わり、体積熱膨張または立方熱膨張と呼ばれます。 固体の初期体積をV°と考える。 この固体を温度Tまで加熱して、その体積をVとすると
固体の体積の変化ΔV＝V-V°
温度の変化ΔT＝T-T°
線形膨張と同様に、体積変化ΔVは元の体積V°と温度の変化ΔTに比例することが分かる。 したがって
ΔV∝V° ΔT
ΔV=βV° ΔT …(3)
V – V°=V°(1+βΔT)
ここでβは体積膨張の温度係数を表わす。 (3)式より
β = ΔV/V° Δ
体積膨張係数
体積膨張温度係数βは温度変化1ケルビンあたりのその体積変化の割合
以下同じ。 放射エネルギー
体積膨張係数の式
線膨張係数と体積膨張係数は次式で関係づけられています。
β = 3 α
異なる物質のβの値は表で与えられる：
熱膨張の結果
なぜ鉄道軌道に隙間ができるのですか？ 橋梁や線路、道路などは常に温度変化にさらされているため、固体の膨張によって破損することがあります。 
そのため、温度による膨張・収縮のために収縮時に規定が設けられているのです。 例えば、鉄道の線路は、夏の暑い日、区間の間に隙間を空けないと膨張して座屈する。
鋼桁でできた橋も日中は膨張し、夜間は収縮している。 両端が固定されていると曲がってしまう。 橋の熱膨張
架空送電線も、冬に折れずに収縮できるように、ある程度のたるみを与えています。
熱膨張の日常生活での応用
熱膨張は日常生活で利用されています。
温度計
温度計では、温度測定に熱膨張が使われています。
固い蓋を取る
固く締まった瓶の蓋は、お湯に1分間ほど浸けておくと、蓋が外れます。 金属製のキャップが膨張してゆるくなります。
リベット打ち
鉄板を固く接合するために、赤熱したリベットを鉄板にあけた穴に押し込む。 熱したリベットの先端をハンマーで打ちます。
木製の車輪に金属タイヤを固定する
荷車の木製の車輪に鉄輪を固定する。 鉄のリムは加熱されています。 熱膨張で木製の車輪の上を滑るようになります。 その上に水をかけて冷やします。 1850>
Bimetallic Strip
バイメタルの帯は、真鍮と鉄など異なる金属の2本の細い帯をつなぎ合わせたものである。 この帯を加熱すると、真鍮は鉄よりも膨張する。 この不均等な膨張がストリップの曲げを引き起こす。
バイメタルストリップはさまざまな用途に使われる。 バイメタル温度計は、特に炉やオーブンの温度測定に使用されます。 バイメタル・ストリップはサーモスタットに使用されています。 バイメタルサーモスタットは、電気アイロンのヒーターコイルの温度調整に使われます。
サーモスタット
サーモスタットは、熱膨張の原理で作動する熱調整装置です。
膨張の応用例：
熱膨張の例
日常生活での熱膨張の例をいくつか紹介します。
液体の熱膨張
液体の分子は液体の中で自由にあらゆる方向に動きます。 液体を加熱すると、その分子の平均振動振幅が大きくなる。 分子は互いに押し合い、より多くの空間を必要とする。 これが、液体を加熱したときの膨張の原因である。 液体の熱膨張は、分子間の力が弱いため、固体よりも大きくなる。 したがって、液体の体積膨張係数は固体よりも大きい。
液体にはそれ自身の明確な形状がない。 液体は常に、それが注がれた容器の形になる。 したがって、液体を加熱すると、液体も容器もその体積を変化させる。 したがって、液体の熱体積膨張には2種類ある。
- 見かけの体積膨張
- 実体積膨張
水の異常膨張
水は4℃以下に冷却すると0℃に達するまで膨張し始める。 さらに冷却すると、0℃で氷に変化し、その体積は急激に増加する。 氷を0℃以下に冷やすと、固体と同じように収縮して体積が減少する。 この水の異常膨張を水の異常膨張と呼ぶ。
関連項目：
- 熱と温度
- 熱平衡
- 温度計
- 熱力学
- 内部エネルギー
- 熱対流
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