Çoğu katı cisim, sıcaklık değiştiğinde doğrusal genleşme yaşar. Doğrusal genleşme, cismin uzunluğunun artması veya azalmasıdır. Genellikle, sıcaklık arttığında cismin uzunluğu artarken, sıcaklık düştüğünde cismin uzunluğu azalır. Doğrusal genleşmenin yalnızca ince teller gibi cisimlerde meydana gelebileceğini düşünebilirsiniz. Örneğin, yol kenarına park edilmiş ve güneşe maruz kalan bir arabayı düşünün. Araba aşırı ısındığında, demir plaka kalınlaşabilir veya kenar uzunluğu artabilir. Çinkodan yapılmış evlerin çatıları da genleşme yaşayabilir. Bu durumda, çinko aşırı ısındığında, çinkonun kenarları genişler ve hatta kalınlaşabilir. Aynı şey demiryolu raylarında ve köprüdeki demir veya çelikte de olur.
Çoğu katı cisim, sıcaklık değişimine bağlı olarak genleşir veya büzülür; bu nedenle sıcaklık değişimlerinin katı cisimlerin genleşmesini nasıl etkilediğini bilmemiz gerekir. Örneğin, demiryolu raylarındaki bir boşluk. Demiryolu rayları çelikten yapılmıştır. Mühendisler her ray arasındaki boşluğun genişliğini hesaplamışlardır. Sıcak bir günde, ray birkaç santimetre genleşir. Bir tren geçtiğinde, rayın sıcaklığı da artar, bu nedenle ray kaç santimetre uzar? Soğuk gecelerde raylar kaç santimetre büzülür?
Yapılan analiz sonuçlarına dayanarak, mühendisler ray sıcaklığı arttığında rayların birbirine temas etmemesi ve bükülmemesi için ray aralıkları arasındaki mesafeyi tahmin ediyorlar.
Sıcaklık değişimleri ile uzunluk genleşmesinin büyüklüğü arasındaki ilişkiyi ifade eden bir formül elde etmemize yardımcı olması için, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi genleşmeye uğrayan katı bir cismi inceleyelim.
To = başlangıç sıcaklığı, T = son sıcaklık, Lo = başlangıç uzunluğu, ΔL = uzunluktaki değişim, L = genleşmeden sonraki uzunluk, ΔT = sıcaklıktaki değişim.
Nesnenin sıcaklığı T₀ olduğunda (nesne hala soğukken), nesnenin uzunluğu L₀ olur . Nesnenin sıcaklığı T₀ olduğunda (nesnenin sıcaklığı arttığında), nesnenin uzunluğu L olur.
Gözlem ve deney sonuçlarına göre, cismin uzunluğundaki değişimler sıcaklıktaki değişimlerle orantılıdır. Sıcaklık artarsa, cismin uzunluğu da artar. Tersine, sıcaklık azaldığında, cismin uzunluğu azalır. Bir cismin uzunluğundaki değişim, orijinal cismin uzunluğuyla (Lo) da orantılıdır. Sıcaklık değişimleri aynıysa, örneğin 10 metre uzunluğundaki cisimler, sadece 5 metre uzunluğundaki cisimlere göre iki kat daha uzun olacaktır. Dolayısıyla, cisim ne kadar uzunsa, cismin genleşmesi de o kadar büyük olur.
Nesne uzunluğundaki (L) değişiklikler, sıcaklıktaki (ΔT) değişikliklerle orantılıdır: ΔL α ΔT
Bir cismin uzunluğundaki değişiklikler (ΔL), cismin orijinal uzunluğu (L o ) ile orantılıdır: ΔL α L o
Her cismin uzunluğundaki değişimler farklılık gösterir. Sıcaklık değişimleri aynı olsa da, demirin genleşmesi camın genleşmesiyle aynı değildir. Diğer cisimler için de durum aynıdır. Dolayısıyla, doğrusal genleşme, her cismin doğrusal genleşme katsayısına bağlıdır. Doğrusal genleşme katsayısı ne kadar büyükse, uzunluk artışı da o kadar büyük olur. Doğrusal genleşme katsayısı ne kadar küçükse, uzunluk artışı da o kadar küçük olur. Bir cismin uzunluğundaki değişimin, doğrusal genleşme katsayısıyla orantılı olduğu söylenebilir.
∆ L ∝ α
Yukarıdaki üç karşılaştırma bir denklemle ifade edilir:
Açıklama: ΔL = Uzunluktaki değişim, α = Doğrusal genleşme katsayısı (birimleri α = K⁻¹ veya ( C₀ ) ⁻¹ ) , L₀ = Başlangıç uzunluğu, ΔT (T₁ – T₀ ) ΔT = Sıcaklıktaki değişim (son sıcaklık – başlangıç sıcaklığı)
Bir cismin genleşme veya büzülme sonrasındaki toplam uzunluğu, cismin başlangıç uzunluğu (L o ) ile uzunluğundaki değişimin (ΔL) toplanmasıyla elde edilebilir .
Açıklama: ΔL = genleşme veya büzülme sonrasında cismin uzunluğu, Lo = Nesnenin başlangıç uzunluğu, ΔL = L – Lo = Uzunluktaki değişim, α = Doğrusal genleşme katsayısı (α'nın birimi = K)-1 veya (Co)-1, ΔT = T – To = Sıcaklık değişimi, To = Başlangıç sıcaklığı, T = son sıcaklık.
Sıcaklık değişimi (TT o ) negatif ise, uzunluktaki değişim (LL o ) de negatiftir.
Bu durumda cismin uzunluğu azalır. Tersine, sıcaklık değişimi (TTo) pozitif ise , uzunluktaki değişim (LLo ) de pozitiftir. Bu durumda cisimlerin uzunluğu artar.
Aşağıda, 20 °C sıcaklıkta katı cisimlerin doğrusal genleşme katsayısının değeri verilmiştir. Sıvı ve gaz halindeki maddelerin şekli değiştiği için bu iki madde türü doğrusal genleşmeye maruz kalmaz. Katı bir cismin doğrusal genleşme katsayısı sıcaklığa da bağlıdır. Farklı sıcaklıklarda, katı cisimlerin doğrusal genleşme katsayısı da değişir. Sıcaklık farkı çok büyük değilse, doğrusal genleşme katsayısındaki fark da çok büyük olmadığı için ihmal edilebilir.
