鉄道や橋には伸縮継手が必要な場合があります。 金属製の温水加熱パイプは、長く直線的な長さで使用しないでください。 走査型電子顕微鏡は、焦点に対する位置を変えるために、温度のわずかな変化を検出する必要があります。 液体温度計は水銀またはアルコールを使用しているため、温度変化によって液体が膨張するときに一方向にのみ流れます。 これらの例はそれぞれ、熱の下で材料の長さがどのように膨張するかを示しています。
TL; DR（長すぎる; 読んでいない）
温度変化下での固体の線膨張は、Δℓ/ℓ=αΔTを使用して測定でき、日常生活で固体が膨張および収縮する方法に応用できます。 オブジェクトが受けるひずみは、オブジェクトを相互にフィッティングする際のエンジニアリングに影響を及ぼします。
物理学における膨張の応用
固体材料が温度の上昇に応じて膨張する場合（熱膨張）、線形膨張と呼ばれるプロセスで長さが長くなる可能性があります。
長さℓの固体の場合、温度変化ΔTによる長さの差Δℓを測定して、次の式に従って固体の熱膨張係数αを決定できます。
\ frac {\ Delta l} {l} = \ alpha \ Delta T
拡大と縮小のアプリケーション例。
ただし、この式は、長さのわずかな変化に対して圧力の変化が無視できることを前提としています。 このΔℓ/ℓの比率は、材料ひずみとも呼ばれ、ϵで表されます。熱の. 応力に対する材料の応答であるひずみは、材料を変形させる可能性があります。
Engineering Toolboxの線膨張係数を使用して、材料の量に比例した材料の膨張率を決定できます。 それはあなたが持っているその材料の量に基づいて材料がどれだけ膨張するか、そしてあなたが物理学の膨張のアプリケーションに適用する温度の変化の量をあなたに伝えることができます。
日常生活における固体の熱膨張の応用
タイトなジャーを開けたい場合は、お湯の下で実行して蓋を少し広げ、開けやすくすることができます。 これは、固体、液体、気体などの物質が加熱されると、それらの平均が分子の運動エネルギーが上昇する. 材料内で振動する原子の平均エネルギーが増加します。 これにより、原子と分子の間の分離が増加し、材料が膨張します。
これは氷が水に溶けるなどの相変化を引き起こす可能性がありますが、熱膨張は一般に温度上昇のより直接的な結果です。 これを説明するには、線形熱膨張係数を使用します。
熱力学による熱膨張
材料は、これらの化学変化に応じて膨張または収縮する可能性があり、 これらの小規模な化学的および熱力学的プロセスは、橋や建物が極端な状況下で拡張するのとほぼ同じ方法です。 熱。 工学では、熱膨張による固体の長さの変化を測定できます。
異方性材料sは、方向によって物質が異なるため、方向によって線膨張係数が異なる場合があります。 このような場合、テンソルを使用して熱膨張をテンソルとして表すことができます。テンソルは、x、y、zの各方向の熱膨張係数を表す行列です。
拡張中のテンソル
多結晶微視的な熱膨張係数がほぼゼロのガラスを構成する材料は、炉や焼却炉などの耐火物に非常に役立ちます。 テンソルは、これらの異方性材料の線膨張のさまざまな方向を考慮することにより、これらの係数を記述できます。
1つの正の熱膨張係数と1つの負の熱膨張係数を持つケイ酸塩材料であるコーディエライトは、そのテンソルが本質的にゼロの体積変化を表すことを意味します。 それはそれを耐火物のための理想的な物質にします。
拡大と縮小の適用
ノルウェーの考古学者は、バイキングが熱膨張を使用したと理論付けましたコーディエライト彼らが何世紀も前に海をナビゲートするのを助けるために。 アイスランドでは、コーディエライトの大きくて透明な単結晶で、彼らはコーディエライトで作られたサンストーンを使用しました。 結晶の特定の方向にのみ特定の方向に光を偏光させて、曇りの上を移動できるようにします。 どんよりした日。 熱膨張係数が低くても結晶の長さが伸びるため、明るい色を示しました。
エンジニアは、建物や橋などの構造物を設計するときに、オブジェクトがどのように膨張および収縮するかを考慮する必要があります。 土地測量のために距離を測定したり、高温材料用の型やコンテナを設計したりするときは、 温度の変化に応じて地球やガラスがどれだけ膨張するかを説明します 経験。
サーモスタット互いに配置された2つの異なる薄い金属ストリップのバイメタルストリップに依存しているため、温度の変化により、一方が他方よりもはるかに大きく膨張します。 これによりストリップが曲がり、曲がると電気回路のループが閉じます。
これによりエアコンが始動し、サーモスタットの値を変更することにより、回路を閉じるためのストリップ間の距離が変化します。 外部温度が目的の値に達すると、金属が収縮して回路を開き、エアコンを停止します。 これは、拡張と縮小の多くの使用例の1つです。
膨張の予熱温度
金属部品を150°Cから300°Cの間で予熱すると、それらは膨張するため、別のコンパートメントに挿入できます。これは、誘導焼きばめと呼ばれるプロセスです。 UltraFlex Power Technologiesの方法では、誘導コイルを使用してステンレス鋼パイプを350°Cに加熱することにより、テフロン絶縁体をワイヤーに誘導収縮フィッティングしました。
熱膨張は、時間の経過とともに吸収する気体と液体の間の固体の飽和度を測定するために使用できます。 時間の経過とともに水を吸収させる前後の乾燥ブロックの長さを測定する実験を設定できます。 長さの変化は、熱膨張係数を与えることができます。 これは、空気にさらされたときに建物が時間の経過とともにどのように膨張するかを判断するのに実用的です。
材料間の熱膨張のばらつき
線形熱膨張係数は、その物質の融点の逆数として変化します。 融点が高い材料は、線形熱膨張係数が低くなります。 数値は、硫黄の約400Kからタングステンの約3,700までの範囲です。
熱膨張係数は、材料自体の温度（特にガラス転移温度が 架橋）、材料の構造と形状、実験に関与する添加剤、およびポリマー間の潜在的な架橋 物質。
アモルファスポリマー、結晶構造のないものは、半結晶のものよりも熱膨張係数が低い傾向があります。 ガラスの中で、ナトリウムカルシウムシリコンオキシドガラスまたはソーダライムシリケートガラスは、9のかなり低い係数を持っていますが、ガラスオブジェクトを作るために使用されるホウケイ酸ガラスは4.5です。
物質の状態による熱膨張
熱膨張は、固体、液体、気体によって異なります。 ソリッドは通常、コンテナによって拘束されない限り、その形状を維持します。 それらは、面積拡大またはと呼ばれるプロセスで、元の面積に対して面積が変化するにつれて拡大します。 表面的な膨張、および体積による元の体積に対するそれらの体積の変化 拡張。 これらの異なる寸法により、さまざまな形で固体の膨張を測定できます。
液体の膨張は容器の形をとる可能性がはるかに高いため、体積膨張を使用してこれを説明できます。 固体の線熱膨張係数は次のとおりです。α、液体の係数はβガスの熱膨張は理想気体の法則です
PV = nRT
圧力用P、ボリュームV、モル数n、ガス定数Rと温度T.