Większość ciał stałych ulega rozszerzalności liniowej pod wpływem zmian temperatury. Rozszerzalność liniowa polega na tym, że długość obiektu wzrasta lub maleje. Zazwyczaj długość obiektu wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, natomiast długość obiektu maleje wraz ze spadkiem temperatury. Można by pomyśleć, że rozszerzalność liniowa występuje tylko w przypadku obiektów takich jak cienkie przewody. Na przykład, spójrzmy na samochód zaparkowany na poboczu drogi, wystawiony na działanie promieni słonecznych. Gdy samochód się przegrzeje, blacha żelazna może stać się grubsza lub długość boku może się zwiększyć. Dachy domów wykonanych z cynku również mogą ulegać rozszerzaniu. W takim przypadku, gdy cynk jest przegrzany, krawędzie cynku zwiększają swoją szerokość, a cynk może nawet stać się grubszy. To samo stało się z torami kolejowymi i żelazem lub stalą na moście.
Większość ciał stałych rozszerza się lub kurczy pod wpływem zmian temperatury, dlatego musimy wiedzieć, jak zmiany temperatury wpływają na rozszerzalność ciał stałych. Na przykład, szczelina w torach kolejowych. Tory kolejowe są wykonane ze stali. Inżynierowie obliczyli szerokość szczeliny między szynami. W upalny dzień szyna rozszerza się o kilka centymetrów. Podczas przejazdu pociągu temperatura szyn również wzrasta, więc szyna wydłuża się o ile centymetrów. W chłodne noce szyny kurczą się o ile centymetrów?
Na podstawie wyników analizy inżynierowie szacują odległość między szczelinami szyn, tak aby w przypadku wzrostu temperatury szyny nie stykały się ze sobą i nie wyginały.
Aby pomóc nam wyprowadzić wzór opisujący zależność między zmianami temperatury a wielkością wydłużenia długości, przyjrzyjmy się ciału stałemu ulegającemu rozszerzaniu, jak pokazano na poniższym rysunku.
To = temperatura początkowa, T = temperatura końcowa, Lo = długość początkowa, ΔL = zmiana długości, L = długość po rozszerzeniu, ΔT = zmiana temperatury.
Gdy temperatura obiektu = T o (obiekt jest nadal zimny), długość obiektu = L o . Gdy temperatura obiektu = T (temperatura obiektu wzrasta), długość obiektu = L.
Na podstawie wyników obserwacji i eksperymentów, zmiany długości obiektu są proporcjonalne do zmian temperatury. Jeśli temperatura rośnie, długość obiektu rośnie. I odwrotnie, gdy temperatura spada, długość obiektu maleje. Zmiana długości obiektu jest również proporcjonalna do długości obiektu pierwotnego (Lo). Jeśli zmiany temperatury są takie same, obiekty o długości na przykład 10 metrów będą dwukrotnie dłuższe w porównaniu z obiektami o długości zaledwie 5 metrów. Zatem im dłuższy obiekt, tym większe jest jego rozszerzenie.
Zmiany długości obiektu (L) są proporcjonalne do zmian temperatury (ΔT): ΔL α ΔT
Zmiany długości obiektu (ΔL) są proporcjonalne do długości obiektu pierwotnego (L o ): ΔL α L o
Zmiany długości każdego obiektu są różne. Chociaż zmiany temperatury są takie same, rozszerzalność żelaza różni się od rozszerzalności szkła. Podobnie jest w przypadku innych obiektów. Zatem rozszerzalność liniowa zależy od współczynnika rozszerzalności liniowej każdego obiektu. Im większy współczynnik rozszerzalności liniowej, tym większy wzrost długości. Im mniejszy współczynnik rozszerzalności liniowej, tym mniejszy wzrost długości. Można powiedzieć, że zmiana długości obiektu jest proporcjonalna do współczynnika rozszerzalności liniowej.
∆ L ∝ α
Powyższe trzy porównania wyrażono następującym równaniem:
Opis: ΔL = Zmiana długości, α = Współczynnik rozszerzalności liniowej (jednostki α = K -1 lub (C o ) -1 , L o = Długość początkowa, ΔT (T 1 – T o ) ΔT = Zmiany temperatury (temperatura końcowa – temperatura początkowa)
Całkowitą długość obiektu po rozszerzeniu lub skurczeniu można uzyskać, dodając początkową długość obiektu (L o ) i zmianę długości obiektu (ΔL).
Opis: ΔL = długość obiektu po rozszerzeniu lub skurczeniu, Lo = Początkowa długość obiektu, ΔL = L – Lo = Zmiana długości, α = Współczynnik rozszerzalności liniowej (jednostki α = K-1 lub (Co)-1, ΔT = T – To = Zmiana temperatury, To = Temperatura początkowa, T = temperatura końcowa.
Jeżeli zmiana temperatury (TT o ) jest ujemna, to zmiana długości (LL o ) również jest ujemna.
W tym przypadku długość obiektu maleje. I odwrotnie, jeśli zmiana temperatury (TT o ) jest dodatnia, to zmiana długości (LL o ) również jest dodatnia. W takim przypadku długość obiektu się zwiększa.
Poniżej podano wartość współczynnika rozszerzalności liniowej ciał stałych w temperaturze 20°C. Kształt cieczy i gazów zmienia się, co uniemożliwia tym dwóm typom substancji rozszerzalność liniową. Współczynnik rozszerzalności liniowej ciał stałych zależy również od temperatury. W różnych temperaturach współczynnik rozszerzalności liniowej ciał stałych również ulega zmianie. Jeśli różnica temperatur nie jest zbyt duża, różnica współczynnika rozszerzalności liniowej nie jest zbyt duża, więc można ją pominąć.
