Lämpölaajeneminen

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

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 olotilamuutokset 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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kappaleen laajenemista tutkittaessa vain yhdessä suunnassa käytetään lineaarista lämpölaajenemiskerrointa \alpha. Kappaleen pituuden muutos \Delta L voidaan ratkaista yhtälöstä

\Delta L = \alpha \Delta T L_{0} ,\,\!

missä L_0 on kappaleen alkuperäinen pituus ja \Delta T 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 lämpötilamuutoksella 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.

Materiaalien lämpölaajenemiskertoimia[1]
Materiaali Kerroin ·10−6 1/°C
Alumiini 23
Hopea 19
Kupari 17
Rauta 12

Tilavuuden lämpölaajenemiskerroin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Koko kappaleen lämpölaajenemista vakiopaineessa kuvataan tilavuuden lämpölaajenemiskertoimella \gamma. Tällöin tilavuuden V muutos

\Delta V = \gamma \Delta T V_{0}

missä V_0 on kappaleen alkuperäinen tilavuus. Monille aineille pätee approksimaatio eli suurinpiirtein oikea

\gamma \approx 3\alpha \,\! .

Vaikutuksia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kesälämpötilassa nurjahtaneet raiteet Alankomaissa
Rollingstock axle.jpg

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 ennen peräkkäisten ratakiskojen välissä oli raot. Tarvittaessa isompaa liikevaraa kiskojen päät viistettiin ja laitettiin limittäin, jolloin viisto raon muoto aiheutti vähemmän tärinöitä kuin suora rako. Nykyään nykyaikaiset suurnopeusjunien ratakiskot hitsataan yhteen ja lämpölaajeneminen estetään kiinnittämällä kisko tiukasti ratapölkkyihin, jolloin lämpötilamuutokset 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.

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]