La majoria dels objectes sòlids experimenten una expansió lineal quan canvia la temperatura. L'expansió lineal és l'augment de la longitud de l'objecte o la disminució de la longitud de l'objecte. Normalment, la longitud de l'objecte augmenta quan augmenta la temperatura, mentre que la longitud de l'objecte disminueix quan la temperatura baixa. Es podria pensar que l'expansió lineal només es pot produir en objectes com ara cables prims. Per exemple, fixeu-vos en un cotxe que està aparcat al costat de la carretera, de manera que està exposat al sol. Quan el cotxe s'escalfa massa, la placa de ferro pot tornar-se més gruixuda o la longitud del costat pot augmentar. Les teulades de les cases fetes de zinc també poden experimentar expansió. En aquest cas, quan el zinc s'escalfa massa, les vores del zinc augmenten d'amplada i el zinc pot arribar a ser encara més gruixut. El mateix va passar amb les vies del tren i el ferro o l'acer del pont.
La majoria dels objectes sòlids s'expandeixen o es contrauen quan canvia la temperatura de l'objecte, per la qual cosa necessitem saber com afecten els canvis de temperatura l'expansió dels objectes sòlids. Per exemple, un espai a les vies del tren. Les vies del tren estan fetes d'acer. Els enginyers havien calculat l'amplada de l'espai entre cada carril. En un dia calorós, el carril s'expandirà uns centímetres. Quan hi passa un tren, la temperatura del carril també augmenta, de manera que el carril s'estén quants centímetres. En les nits fredes, els carrils es contrauen a quants centímetres.
A partir dels resultats de l'anàlisi, els enginyers estimen la distància entre els espais entre els rails, de manera que quan la temperatura del rail augmenta, els rails no es toquin entre si i es dobleguin.
Per ajudar-nos a derivar una fórmula que indiqui la relació entre els canvis de temperatura i la magnitud de l'expansió de la longitud, reviseu un objecte sòlid que experimenta expansió, com es mostra a la figura següent.
To = temperatura inicial, T = temperatura final, Lo = longitud inicial, ΔL = canvi de longitud, L = longitud després de l'expansió, ΔT = canvi de temperatura.
Quan la temperatura de l'objecte = T o (l'objecte encara és fred), la longitud de l'objecte = L o . Quan la temperatura de l'objecte = T (la temperatura de l'objecte augmenta), la longitud de l'objecte = L.
Segons els resultats de les observacions i els experiments, els canvis en la longitud de l'objecte són proporcionals als canvis de temperatura. Si la temperatura augmenta, la longitud de l'objecte augmenta. Per contra, quan la temperatura disminueix, la longitud de l'objecte disminueix. El canvi de longitud d'un objecte també és proporcional a la longitud de l'objecte original (Lo). Si els canvis de temperatura són els mateixos, els objectes que fan 10 metres de llarg, per exemple, duplicaran la seva longitud en comparació amb els objectes que només fan 5 metres de llarg. Per tant, com més llarg sigui l'objecte, més gran serà l'expansió de l'objecte.
Els canvis en la longitud de l'objecte (L) són proporcionals als canvis de temperatura (ΔT): ΔL α ΔT
Els canvis en la longitud d'un objecte (ΔL) són proporcionals a la longitud de l'objecte original (L o ): ΔL α L o
Els canvis en la longitud de cada objecte varien. Tot i que els canvis de temperatura són els mateixos, l'expansió que experimenta el ferro no és la mateixa que la del vidre. El mateix passa amb altres objectes. Per tant, l'expansió lineal depèn del coeficient d'expansió lineal de cada objecte. Com més gran sigui el coeficient d'expansió lineal, més gran serà l'augment de longitud. Com més petit sigui el coeficient d'expansió lineal, més petit serà l'augment de longitud. Es podria dir que el canvi de longitud d'un objecte és proporcional al coeficient d'expansió lineal.
∆ L ∝ α
Les tres comparacions anteriors s'expressen en una equació:
Descripció: ΔL = El canvi de longitud, α = El coeficient d'expansió lineal (unitats α = K -1 o (C o ) -1 , L o = Longitud inicial, ΔT (T 1 – T o ) ΔT = Els canvis de temperatura (temperatura final – temperatura inicial)
La longitud total d'un objecte després de patir una expansió o contracció es pot obtenir sumant la longitud inicial de l'objecte (L o ) i el canvi de longitud de l'objecte (ΔL).
Descripció: ΔL = longitud de l'objecte després d'expandir-se o encongir-se, Lo = La longitud inicial de l'objecte, ΔL = L – Lo = El canvi de longitud, α = El coeficient d'expansió lineal (unitats de α = K-1 o (Co)-1, ΔT = T – To = Canvi de temperatura, To = La temperatura inicial, T = la temperatura final.
Si el canvi de temperatura (TT o ) és negatiu, aleshores el canvi de longitud (LL o ) també és negatiu.
En aquest cas, la longitud de l'objecte disminueix. Per contra, si el canvi de temperatura (TT₂o ) és positiu, aleshores el canvi de longitud (LL₂o ) també és positiu. En aquest cas, els objectes augmenten de longitud.
A continuació es mostra el valor del coeficient d'expansió lineal dels objectes sòlids, a una temperatura de 20 °C. La forma de les substàncies líquides i gasoses canvia, de manera que aquests dos tipus de substàncies no poden experimentar l'expansió lineal. El coeficient d'expansió lineal d'un objecte sòlid també depèn de la temperatura. A diferents temperatures, el coeficient d'expansió lineal dels objectes sòlids també varia. Si la diferència de temperatura no és massa significativa, la diferència en el coeficient d'expansió lineal no és massa significativa com per poder-se ignorar.
