体積膨張は、本体の三次元の変化を伴う物理的現象です。ほとんどの物質は、熱に曝されると体積または寸法が増加します。これは熱膨張と呼ばれる現象ですが、加熱すると収縮する物質もあります。
固体の場合、体積の変化は比較的小さいですが、特に膨張が異なる材料を結合することが望まれる状況では、それらは技術的に非常に重要です。
一部の固体の形状は、加熱すると変形し、一部の方向に膨張し、別の方向に収縮する可能性があります。ただし、特定の数の次元でのみ膨張がある場合、そのような拡張には分類があります。
- 線形拡張は、体の長さ、幅、高さなど、特定の寸法の変化が支配的である場合に発生します。
- 表面の膨張は、3次元のうち2次元の変動が支配的である膨張です。
- 最後に、体積膨張は、身体の3次元の変化を意味します。
熱膨張に関する基本的な概念
熱エネルギー
物質は、移動または振動する連続的な運動をしている原子で構成されています。原子が一緒に動く運動（または運動）エネルギーは熱エネルギーと呼ばれ、原子が速く動くほど、それらはより多くの熱エネルギーを持ちます。
ホット
熱は、2つ以上の物質間、または物質のある部分から別の部分に巨視的スケールで伝達される熱エネルギーです。これは、熱い体がその熱エネルギーの一部を放棄し、それに近い体に影響を与える可能性があることを意味します。
伝達される熱エネルギーの量は、近くの体の性質とそれらを隔てる環境に依存します。
温度
温度の概念は熱の影響を研究するための基本であり、体の温度は熱を他の体に伝達する能力の尺度です。
相互に接触している、または適切な媒体（熱伝導体）によって分離されている2つのボディは、間に熱の流れがない場合、同じ温度になります。同様に、XからYに熱が流れる場合、ボディXはボディYよりも高温になります。
熱膨張の基本的な特性は何ですか？
それは明らかに温度の変化に関連しており、温度が高いほど膨張が大きくなります。また、材料の内部構造にも依存します。温度計では、水銀の膨張はそれを含むガラスの膨張よりもはるかに大きくなります。
熱膨張の根本的な原因は何ですか？
温度の上昇は、物質内の個々の原子の運動エネルギーの増加を意味します。固体では、ガスとは異なり、原子または分子は互いに接近していますが、それらの運動エネルギー（小さな高速振動の形で）は、原子または分子を互いに分離します。
隣接する原子間のこの分離はますます大きくなり、固体のサイズが大きくなります。
通常の条件下のほとんどの物質では、熱膨張が発生する好ましい方向はなく、温度が上昇すると、各次元で特定の割合で固体のサイズが増加します。
線形拡張
拡張の最も単純な例は、1つの（線形）次元の拡張です。実験的に、物質の長さの変化ΔLは、温度の変化ΔTおよび初期の長さLoに比例することがわかっています（図1）。これは次の方法で表すことができます。
DL = aLoDT
ここで、αは線膨張係数と呼ばれる比例係数で、各材料の特性です。この係数のいくつかの値を表Aに示します。
線膨張係数は、温度が上がると摂氏1度ごとに膨張が大きくなる材料の方が高くなります。
表面的な拡張
ソリッドボディ内で平面が取られ、この平面が熱膨張する平面である場合（図2）、面積の変化ΔAは次の式で与えられます。
DA = 2aA0
ここで、ΔAは初期面積Aoの変化、Tは温度変化、αは線膨張係数です。
容積拡張
前のケースと同様に、体積の変化ΔVは次の関係で近似できます（図3）。この方程式は通常、次のように記述されます。
DV = bVoDT
βは体積膨張係数であり、約3∝ ∝ τ∝ ßλ∝ 2に等しい場合、いくつかの材料の体積膨張係数の値が表示されます。
一般に、物質は温度が上昇すると膨張しますが、水はこの規則の最も重要な例外です。水は、4°Cを超えると温度が上昇すると膨張します。
ただし、温度が4°C〜0°Cの範囲で低下すると、膨張します。この効果は、水が冷蔵庫に入れられたときに観察でき、水が凍結すると膨張し、この膨張のために容器から氷を取り除くのが困難です。
例
体積膨張の違いは、ガソリンスタンドで興味深い効果をもたらす可能性があります。例としては、暑い日に満たされたばかりのタンクにガソリンが滴り落ちる場合があります。
ガソリンは注がれると鋼製タンクを冷却し、ガソリンとタンクの両方が周囲の空気の温度とともに膨張します。ただし、ガソリンは鋼鉄よりもはるかに速く膨張し、タンクから漏れます。
ガソリンとそれを含むタンクの間の膨張の違いは、燃料レベルゲージの読み取り時に問題を引き起こす可能性があります。ゲージが空に達したときにタンク内に残っているガソリン（質量）の量は、冬よりも夏の方がはるかに少なくなります。
警告灯が点灯したとき、ガソリンは両方のステーションで同じ体積ですが、ガソリンは夏に膨張するため、質量は小さくなります。
例として、容量が60Lの完全鋼製ガスタンクを検討できます。タンクとガソリンの温度が15ºCの場合、35 reachCに達するまでにどれだけの量のガソリンがこぼれますか？
タンクとガソリンは温度の上昇により体積が増加しますが、ガソリンはタンクよりも増加します。したがって、こぼれたガソリンは、体積変化の違いになります。次に、体積膨張方程式を使用して、体積の変化を計算できます。
温度の上昇によってこぼれた量は、次のようになります。
これら3つの方程式を1つに組み合わせると、次のようになります。
表2から、体積膨張係数の値が取得され、次の値に置き換えられます。
こぼれたガソリンの量は60Lタンクに比べて比較的わずかですが、ガソリンと鋼鉄が非常に急速に膨張するため、その影響は驚くべきものです。
参考文献
- イェンホーチョー、テイラーR.固体の熱膨張ASM International、1998年。
- H.イバッハ、ハンスリュース固体物理学：材料科学の原理の紹介Springer Science&Business Media、2003年。
- Halliday D.、Resnick R.、Krane K. Physics、Volume 1. Wiley、2001。
- マーティンC.マーティン、チャールズA.ヒューエットエレメンツクラシック物理学エルゼビア、2013年。
- Zemansky Mark W.熱および熱力学。社説アギラー、1979。