Повечето твърди тела претърпяват линейно разширение, когато температурата се промени. Линейното разширение е увеличаване на дължината на обекта или намаляване на дължината му. Обикновено дължината на обекта се увеличава, когато температурата се повишава, докато дължината на обекта намалява, когато температурата спада. Може би си мислите, че линейното разширение може да се случи само при обекти като тънки жици. Например, погледнете кола, която е паркирана отстрани на пътя, така че е изложена на слънце. Когато колата прегрее, желязната плоча може да стане по-дебела или дължината на страната може да се увеличи. Покривите на къщи, изработени от цинк, също могат да претърпят разширение. В този случай, когато цинкът се прегрее, ръбовете на цинка се увеличават по ширина и цинкът дори може да стане по-дебел. Същото се случи с железопътните релси и желязото или стоманата на моста.
Повечето твърди обекти се разширяват или свиват, когато температурата им се промени, така че трябва да знаем как температурните промени влияят на разширяването на твърдите обекти. Например, пролука в железопътните релси. Железопътните релси са направени от стомана. Инженерите са изчислили ширината на пролуката между всяка релса. В горещ ден релсата ще се разшири с няколко сантиметра. Когато покрай нея преминава влак, температурата на релсата също се повишава, така че релсата се удължава с колко сантиметра. В студени нощи релсите се свиват до колко сантиметра.
Въз основа на резултатите от анализа, инженерите оценяват разстоянието между релсовите пролуки, така че когато температурата на релсите се повиши, релсите да не се докосват една до друга и да се огънат.
За да ни помогнете да изведем формула, която определя връзката между температурните промени и величината на разширението на дължината, разгледайте твърдо тяло, което претърпява разширение, както е показано на фигурата по-долу.
To = начална температура, T = крайна температура, Lo = начална дължина, ΔL = промяна в дължината, L = дължина след разширение, ΔT = промяна в температурата.
Когато температурата на обекта = T o (обектът е все още студен), дължината на обекта = L o . Когато температурата на обекта = T (температурата на обекта се повишава), дължината на обекта = L.
Въз основа на резултатите от наблюдения и експерименти, промените в дължината на обекта са пропорционални на промените в температурата. Ако температурата се повиши, дължината на обекта се увеличава. Обратно, когато температурата се понижи, дължината на обекта намалява. Промяната в дължината на обекта е пропорционална и на дължината на оригиналния обект (Lo). Ако температурните промени са еднакви, обекти с дължина 10 метра например ще бъдат удвоени по дължина в сравнение с обекти, които са само 5 метра дълги. Така че, колкото по-дълъг е обектът, толкова по-голямо е разширението му.
Промените в дължината на обекта (L) са пропорционални на промените в температурата (ΔT): ΔL α ΔT
Промените в дължината на обект (ΔL) са пропорционални на дължината на оригиналния обект (L o ): ΔL α L o
Промените в дължината на всеки обект варират. Въпреки че температурните промени са еднакви, разширението, което изпитва желязото, не е същото като това на стъклото. Подобно е и на други обекти. Следователно, линейното разширение зависи от коефициента на линейно разширение на всеки обект. Колкото по-голям е коефициентът на линейно разширение, толкова по-голямо е увеличението на дължината. Колкото по-малък е коефициентът на линейно разширение, толкова по-малко е увеличението на дължината. Може да се каже, че промяната в дължината на даден обект е пропорционална на коефициента на линейно разширение.
∆ L ∝ α
Трите сравнения по-горе са изразени в уравнение:
Описание: ΔL = Промяната в дължината, α = Коефициентът на линейно разширение (единици α = K -1 или (Co ) -1 , Lo = Начална дължина, ΔT (T1 – To ) ΔT = Промяната в температурата (крайна температура – начална температура)
Общата дължина на обект след разширяване или свиване може да се получи чрез сумиране на началната дължина на обекта (L o ) и промяната в дължината на обекта (ΔL ).
Описание: ΔL = дължина на обекта след разширяване или свиване, Lo = Началната дължина на обекта, ΔL = L – Lo = Промяната в дължината, α = Коефициентът на линейно разширение (единици α = K-1 или (Сo)-1, ΔT = T – To = Промяна на температурата, To = Началната температура, T = крайната температура.
Ако промяната в температурата (TTo ) е отрицателна, тогава промяната в дължината (LLo ) също е отрицателна.
В този случай дължината на обекта намалява. Обратно, ако промяната в температурата (TT o ) е положителна, тогава промяната в дължината (LL o ) също е положителна. В този случай дължината на обектите се увеличава.
Следва стойността на коефициента на линейно разширение на твърди тела при температура 20 °C. Формата на течните и газообразните вещества се променя, така че тези два вида вещества не могат да претърпят линейно разширение. Коефициентът на линейно разширение на твърдо тяло също зависи от температурата. При различни температури коефициентът на линейно разширение на твърдите тела също варира. Ако температурната разлика не е твърде значителна, разликата в коефициента на линейно разширение не е твърде значителна, така че може да бъде пренебрегната.
