Termisk ekspansjon
Termisk ekspansjon er tendensen materie har til å endre volum ved endring i temperatur. Når et stoff varmes opp begynner partiklene å forflytte seg raskere og holder da en større gjennomsnittlig avstand. Materialer som trekker seg sammen ved økende temperaturer er sjeldne; denne effekten er begrenset i størrelse og oppstår bare innenfor begrensede temperaturområder. Graden av ekspansjon dividert med endringen i temperatur kalles materialets koeffisient av termisk ekspansjon og varierer generelt med temperatur.
Definisjon
En stav med lengde ℓ vil under oppvarming forandre sin lengde med Δℓ. Hvis temperaturøkningen er ΔT, defineres lengdeutvidelseskoeffisienten som
Den måles derfor i enheter av invers temperatur, det vil si K -1. Et typisk eksempel er en 10 m lang stålstang som utvideer seg med 6 mm når den varmes opp fra -20 °C til 30 °C. Det tilsvarer koeffisienten Mal:Nowrap som er en typisk verdi for faste stoffer.[1]
På tilsvarende hvis kan man definere en tredimensjonal utvidelseskoeffisient α for et homogent materiale. Hvis et volum V utvider seg med ΔV under en temperaturøkning ΔT, er den
og måles med samme enhet som den lineære koeffisienten. For væsker og gasser er den vanligvis betydelig større enn for faste stoffer.[2]
Når det faste stoffet er homogent, kan volumutvidelseskoeffisienten uttrykkes ved den lineære koeffisienten. Da vil et volum V = ℓ3 utvides under oppvarming til
når man benytter binomialformelen og neglisjerer høyere ordens ledd fordi Δℓ << ℓ. Det betyr at α = 3αℓ. Denne sammenhengen kan også lett verifiseres ved direkte målinger.[1]
En ideell gass med n mol og trykk P, har tilstandsligningen Mal:Nowrap hvor R er gasskonstanten. Det betyr at Mal:Nowrap. Følgelig er Mal:Nowrap dens volumutvidelseskoeffisient.