• Charakterystyka zjawiska

Rozszerzalność cieplna (inaczej: rozszerzalność temperaturowa, termiczna, dylatacja temperaturowa) jest własnością ciał i polega na powiększaniu się rozmiarów ciał przy ogrzewaniu (wzroście temperatury budujących je materiałów). Jak łatwo można się domyślić, z punktu widzenia techniki rozszerzalność może stanowić zjawisko bardzo niekorzystne dla człowieka. Błędne jest rozumowanie, według którego pod wpływem temperatury zwiększają swe objętości jedynie ciała stałe. Naturalnie, rozszerzanie termiczne obowiązuje także ciecze i gazy. Istnieją jednak istotne różnice w sposobie zwiększania rozmiarów ciał. Może zachodzić jednolitość i izotropowość, i wówczas obiekt poddany ogrzaniu zwiększa się o taką samą wartość w każdym kierunku, ale istnieją też ciała anizotropowe, wykazujące kierunkowość przy rozszerzaniu się. Celem wytłumaczenia tego efektu rozważa się specjalny współczynnik (współczynnik liniowy rozszerzalności termicznej) określający stopień możliwego zwiększanie objętości dla danego typu ciała. Formalnie współczynnik wyznacza procentowy przyrost rozmiary w stosunku do rozmiaru wyjściowego przy ogrzaniu ciała o jeden stopień Kelwina. Obiekty anizotropowe wykazują odmienne współczynniki rozszerzalności temperaturowej dla różnych kierunków; wynika to z wewnętrznej budowy ich sieci krystalicznej. Można też wprowadzić objętościowy współczynnik rozszerzalności cieplnej, informujący nas, o jaki ułamek wzrasta się objętość obiektu wraz ze wzrostem ciepła o jeden stopień.

  • Wytłumaczenie fizyczne

Mikroskopowy opis zjawiska i jego wyjaśnienie na gruncie fizyki ciała stałego jest dość skomplikowane.

Rozważmy odległości między atomami rzędu 10-10 m. W ciele stałym lub cieczy chmury elektronowe różnych atomów nakładają się na siebie, atomy oddziaływają ze sobą, mogą to być siły przyciągające lub odpychające. Można naszkicować wykres energii oddziaływania międzycząsteczkowego (charakterystykę energii w funkcji odległości). Na jednym wykresie uwzględniamy przy tym energię całkowitą E, czyli łączną energię potencjalna dodatnią E+ (przyciągające siły Van der Waalsa) i ujemną E- (odpychanie elektrostatyczne.) okazuje się, że wykresy dla energii dodatniej i ujemnej wykazują asymetrię względem osi "x" (rzędnych) układu, a energia sumaryczna ma na takim wykresie minimum wartości, do osiągnięcia którego dążą zawsze wszystkie atomy. Sytuacja komplikuje się jednak na skutek drgań atomów i cząstek. Ze względu na asymetrię, punkty A i B wykresu nie znajdą się w minimum, a nawet będą się od niego oddalać w stronę rosnących wartości "x". Oznacza to, że średnie, statystyczne odległości pomiędzy atomami będą wzrastać - ciało rozszerza się.

 

wykres energii potencjalnej w funkcji odległości pomiędzy atomami

  • Skutki rozszerzalności cieplnej

Ponieważ zmiany temperatury zachodzą niemal we wszystkich możliwych miejscach na całym obszarze kuli ziemskiej, mogą teoretycznie mieć wpływ na każdą dziedzinę gospodarki i życia ludzkiego i muszą być uwzględniane i szacowane. Dotyczy to zwłaszcza budownictwa i przemysłu. Zjawisko rozszerzalności trzeba poza tym uwzględniać w rozmaitych pracach inżynierskich i innych działaniach, gdzie elementy konstrukcyjne mają inne rozmiary latem i zimą (kraje strefy umiarkowanej: Kanada, USA, Polska) oraz w przypadku gdy obserwuje się duże wahania temperatury pomiędzy nocą a dniem (Afryka, Ameryka Środkowa itp.) Są jednak i sytuacje, kiedy rozszerzalność cieplna jest zjawiskiem bardzo korzystnym Przykładowo: rozszerzalność cieczy (najczęściej zabarwionego alkoholu) wykorzystuję się do pomiaru temperatury w termometrach cieczowych. Podobnie, zjawisko rozszerzalności jest jak najbardziej pożyteczne w przypadku tzw. bimetali. Bimetal jest połączeniem dwóch metalowych elementów, z których każdy ze składowych nagrzewa się inaczej (z innym współczynnikiem rozszerzalności temperaturowej.) Układ taki przy dostarczeniu temperatury wygina się w kierunku metalu o mniejszym współczynniku. W niskiej temperaturze układ przepuszcza prąd, przy jej zwiększaniu się (np. podczas przegrzania bezpiecznika) skutecznie blokuje przepływ napięcia.

Inne przykłady wystąpienia zjawiska to: rozszerzanie się linii przesyłowych prądu i przewodów telekomunikacyjnych latem oraz gwałtowne kurczenie się ich przy mrozie, mogące doprowadzić do rozerwania materiału. Przeciwdziała się temu, używając materiałów o małym współczynniki rozszerzalności. W przypadku tramwajów i trolejbusów oraz pociągów linie trakcyjne z konieczności muszą być usztywnione i niepodatne na rozszerzanie, bowiem w innym przypadku sztywno zamocowane pantografy nie mogłyby od nich odbierać napięcia elektrycznego. Innym problem transportu kolejowego związany z rozszerzalnością cieplną to pękanie szyn. Szyny (także tramwajowe) w celu zapobieżenia ich deformacji układa się z przerwami pomiędzy ich elementami lub stosuje się specjalne, ukośne rozcięcia. Rozszerzanie groźne jest też w przypadku linii ciepłowniczych (rur transportujących wodę lub ciepło do mieszkań i zakładów.) Mogą one pękać przy skracaniu na skutek zmian temperatury. Jednym ze sposób uniknięcia tego jest ich wygięty kształt, tak, by przy zmianie podłużnego rozmiaru rura przesuwała się jedynie w specjalnych łącznikach (zagięciach, kolanach), nie powodując rozrywania na całej długości linii przesyłowej. Rozszerzaniu ulega także szkło, zwłaszcza szkło okienne, bezpośrednio narażone na działania temperatury słonecznej. Przy szkleniu okien i należy zostawić trochę tzw. "luzu", wolnej przestrzeni pomiędzy oprawa a szybą, by szyba nie pękała przy przejściach temperaturowych. Dużym niebezpieczeństwo stanowi możliwość zawalenia się konstrukcji mostu. Stalowe przęsła mostu mogą być latem do pół metra dłuższe niż zimą. Przy ich konstruowaniu od wielu lat stosuje się stalowe, zazębiające się łączniki pomiędzy częściami samego mostu - tzw. grzebienie. Mogą się one rozszerzać w sposób nie zagrażający dla samej konstrukcji. Podobnie postępują budowniczy dróg. W jezdni o betonowej nawierzchni tworzy się odpowiedniego rozmiaru szczeliny, w których rozszerzający się beton może swobodnie ekspandować przy najwyższych występujących na danym obszarze temperaturach. Są jednak i sytuacje, w których takie połowiczne rozwiązania nie wystarczają i niezbędne jest użycie materiałów o bardzo niskim współczynniku rozszerzalności termicznej. Dotyczy to zwłaszcza obiektów poddawanych w eksploatacji ogromnym wahaniom temperatur: statki kosmiczne, rakiety, satelity, silniki samolotowe i samochodowe.) Współczynnik rozszerzalności można także skutecznie obniżyć przez odpowiednie domieszkowanie, np. przez dodanie niklu do konstrukcji stalowej. Często metody zmniejszania współczynnika rozszerzalności łączy się z odpowiednią budową urządzenia, tak, by w razie zmian rozmiarów jego poszczególne elementy nie zakleszczyły się i nie zablokowały.