Γραμμική Διαστολή Στερεών

Όλα σχεδόν τα στερεά σώματα μεταβάλλουν τις διαστάσεις τους, όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία τους.

Αν μεταβληθεί η θερμοκρασία ράβδου μήκους ℓ_o κατά ΔΤ, το μήκος της θα μεταβληθεί κατά Δℓ. Η μεταβολή αυτή του μήκους της ράβδου βρίσκεται πειραματικά ότι είναι ανάλογη της μεταβολής της θερμοκρασίας, ανάλογη του μήκους και εξαρτάται από το υλικό που είναι κατασκευασμένη η ράβδος, δηλαδή:

Δℓ = α ^. ℓ_o ^. ΔT

Ο παράγων α, ονομάζεται θερμικός συντελεστής γραμμικής διαστολής και εξαρτάται από το υλικό της ράβδου.

«Ο συντελεστής γραμμικής διαστολής α, εκφράζει την αύξηση του μήκους μίας ράβδου 1m, όταν αυτή θερμανθεί κατά 1 K (ή 1 ^oC)»

α = Δℓ / (ℓo ^. ΔT) {m / (m^.K) δηλαδή 1/Κ}

Από την παραπάνω σχέση φαίνεται ότι οι μονάδες μέτρησης του συντελεστή γραμμικής διαστολής είναι 1/Κ ή Κ^-1 ή grad^–1

Π.χ. ο θερμικός συντελεστής διαστολής του σιδήρου είναι α_fe = 12 · 10 –6 grad^–1. Αυτό σημαίνει ότι αν αυξηθεί η θερμοκρασία κατά 1 Κ (1 ^οC) ράβδου από σίδηρο μήκους 1m, θα υποστεί επιμήκυνση κατά 12 · 10^-6 m = 1,2 μm.

Στα περισσότερα υλικά η τιμή του συντελεστή θερμικής γραμμικής διαστολής είναι θετική και συνεπώς το μήκος της ράβδου αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Υπάρχουν όμως υλικά (λ.χ. το καουτσούκ), τα οποία έχουν αρνητική τιμή του α και κατά συνέπεια το μήκος τους ελαττώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η ιδιότητα αυτή δεν οφείλεται στην ελάττωση της απόστασης μεταξύ των ατόμων, αλλά στην αλλαγή του σχήματος του μορίου.

Υπάρχουν και υλικά που έχουν πρακτικά μηδενική τιμή του α, με αποτέλεσμα οι διαστάσεις τους να μεταβάλλονται ελάχιστα με τη θερμοκρασία. Μικρή τιμή του συντελεστή θερμικής γραμμικής διαστολής παρουσιάζουν και τα γυαλιά ειδικής κατασκευής (Pyrex), τα οποία όταν θερμαίνονται δε σπάνε, ενώ τα κοινά γυαλιά όταν θερμαίνονται ανομοιόμορφα, διαστέλλονται πολύ στο σημείο θέρμανσης και σπάνε.

Γενικά ισχύει για όλα περίπου τα υλικά, ότι ο θερμικός συντελεστής γραμμικής διαστολής ελαττώνεται με ελάττωση της θερμοκρασίας και μηδενίζεται στο απόλυτο μηδέν (~ -273 ^οC).

Τιμές των συντελεστών θερμικής γραμμικής διαστολής παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα:¹