De flesta fasta föremål upplever en linjär expansion när temperaturen ändras. Den linjära expansionen innebär att föremålets längd ökar eller att föremålets längd minskar. Vanligtvis ökar föremålets längd när temperaturen ökar, medan föremålets längd minskar när temperaturen sjunker. Man kanske tror att linjär expansion bara kan ske på föremål som tunna trådar. Titta till exempel på en bil som är parkerad vid vägkanten, så att den utsätts för solen. När bilen överhettas kan järnplattan bli tjockare, eller så kan sidolängden öka. Tak på hus gjorda av zink kan också uppleva expansion. I det här fallet, när zink överhettas, ökar zinkens kanter i bredd och zinken kan till och med bli tjockare. Samma sak hände med järnvägsspåren och järnet eller stålet på bron.
De flesta fasta föremål expanderar eller krymper när föremålets temperatur ändras, så vi behöver veta hur temperaturförändringarna påverkar expansionen av fasta föremål. Till exempel ett mellanrum i järnvägsspåren. Järnvägsspår är gjorda av stål. Ingenjörerna hade beräknat bredden på mellanrummet mellan varje räls. På en varm dag kommer rälsen att expandera några centimeter. När den passeras av ett tåg ökar också rälstemperaturen så att rälsen sträcks ut med hur många centimeter. På kalla nätter krymper rälsen till hur många centimeter.
Baserat på analysens resultat uppskattar ingenjörerna avståndet mellan rälsmellanrummen, så att rälsen inte vidrör varandra och böjs när rälstemperaturen ökar.
För att hjälpa oss att härleda en formel som anger sambandet mellan temperaturförändringar och storleken på längdutvidgningen, titta på ett fast föremål som upplever expansion, som visas i figuren nedan.
To = initialtemperatur, T = sluttemperatur, Lo = initial längd, ΔL = längdförändring, L = längd efter expansion, ΔT = temperaturförändring.
När objektets temperatur = T₀ ( objektet är fortfarande kallt) är objektets längd = L₀ . När objektets temperatur = T₀ (objektets temperatur ökar) är objektets längd = L.
Baserat på resultaten från observationer och experiment är förändringarna i objektets längd proportionella mot temperaturförändringarna. Om temperaturen ökar ökar objektets längd. Omvänt, när temperaturen minskar, minskar objektets längd. Förändringen i ett objekts längd är också proportionell mot det ursprungliga objektets längd (Lo). Om temperaturförändringarna är desamma kommer objekt som är 10 meter långa, till exempel, att fördubblas i längd jämfört med objekt som bara är 5 meter långa. Så ju längre objektet är, desto större expansion blir objektet.
Förändringar i objektlängd (L) är proportionella mot temperaturförändringar (ΔT): ΔL α ΔT
Förändringar i ett objekts längd (ΔL) är proportionella mot det ursprungliga objektets längd (L o ): ΔL α L o
Förändringar i längden på varje objekt varierar. Även om temperaturförändringarna är desamma, är expansionen som järn upplever inte densamma som glas. Likaså med andra föremål. Så den linjära expansionen beror på varje objekts linjära expansionskoefficient. Ju större den linjära expansionskoefficienten är, desto större är längdökningen. Ju mindre den linjära expansionskoefficienten är, desto mindre är längdökningen. Man kan säga att förändringen i längden på ett objekt är proportionell mot den linjära expansionskoefficienten.
∆ L ∝ α
De tre jämförelserna ovan uttrycks i en ekvation:
Beskrivning: ΔL = Längdförändringen, α = Linjär expansionskoefficient (enheter α = K⁻¹ eller (C₂ ) ⁻¹ , L₂ = Initial längd, ΔT (T₁ – T₂ ) ΔT = Temperaturförändringarna (sluttemperatur – initialtemperatur)
Den totala längden av ett objekt efter att det har upplevt expansion eller krympning kan erhållas genom att addera objektets ursprungliga längd (L o ) och objektets längdförändring (ΔL).
Beskrivning: ΔL = objektets längd efter expansion eller krympning, Lo = Objektets initiala längd, ΔL = L – Lo = Längdförändringen, α = Linjär expansionskoefficient (enheter av α = K-1 eller (Co)-1, ΔT = T – To = Temperaturförändring, To = Begynnelsestemperaturen, T = sluttemperaturen.
Om temperaturförändringen (TT₂ ) är negativ, är även längdförändringen (LL₂ ) negativ.
I detta fall minskar objektets längd. Omvänt, om temperaturförändringen (TT₂ ) är positiv, är även längdförändringen (LL₂ ) positiv. I detta fall ökar objektens längd.
Följande är värdet på den linjära expansionskoefficienten för fasta föremål vid en temperatur på 20 °C. Formen på flytande och gasformiga ämnen förändras så att dessa två typer av ämnen inte kan uppleva linjär expansion. Den linjära expansionskoefficienten för ett fast föremål beror också på temperaturen. Vid olika temperaturer varierar även den linjära expansionskoefficienten för fasta föremål. Om temperaturskillnaden inte är för betydande är skillnaden i den linjära expansionskoefficienten inte så betydande att den kan ignoreras.
