Värmeutvidgning

Kemisk bakgrund

Värmeutvidgning

Molekyler i ett fast ämne ligger i ett bestämt mönster. Deras enda rörelser är vibrationer runt vad man kallar ett jämviktsläge. Dessa vibrationer kallas värmerörelser. Då molekylerna i ett fast ämne blir rörligare vid en temperaturhöjning, ökar deras vibrationer i omfattning. Då vibrationerna ökar kommer även avståndet mellan varje molekyls centrum att öka. Denna expansion (ökning av molekylseparationen) uppträder genom hela föremålet medan det blir varmare. Föremålet utvidgas i alla riktningar, en s k linjär expansion. Expansionens storlek står i förhållande till temperaturhöjningen. Alla ämnen har en utvidgning som är proportionell mot temperaturökningen inom ett visst temperaturintervall [anges per grad Celsius (°C) eller Kelvin (K)].

Den linjära expansionen ("längs en linje") hos ett föremål erhålls med formeln:

där

• µ är den linjära expansionskoefficienten i K^-1.
• l₀ och l₁ är föremålets ursprungliga respektive slutliga längd i meter.
• Dl är längdförändringen.
• T₀ och T₁ är föremålets begynnelse- respektive sluttemperatur i kelvin.
• ΔT är temperaturförändringen.

För de flesta metaller varierar den linjära expansionen mellan 1·10^-5 K^-1 och 3·10^-5 K^-1. Ytan hos en kropp ökar med ungefär dubbla denna mängd per grad och volymen med omkring tre gånger.

Vad har man för mått på värmeutvidgning?

Måttet på värmeutvidgningen brukar anges per längdenhet för fasta material men per volymsenhet för vätskor och gaser. Det beror på att fasta kroppars längd är lätt att mäta, men arean eller volymen kan vara mycket svår att ange om kroppen har en komplicerad form. Vätskor och gaser har inte någon bestämd form, men däremot en bestämd volym (vid givet tryck). Därför måste man ange utvidgningen per volymsenhet för dem.

Avkylning

När ett föremål svalnar är förloppet det omvända jämfört med uppvärmning. Genom hela föremålet kommer molekylerna närmare varandra och föremålet drar ihop sig till exakt samma mått som innan värmeutvidgningen. När ett föremål svalnar förlorar den värmeenergi till sin närmaste omgivning. Detta fortsätter vanligen tills föremålet nått samma temperatur som omgivningen.

Effekter av värmeutvidgningen

I stora konstruktioner kan expansion och sammandragningar vara mycket märkbara tex då en brokonstruktion av metall utvidgar sig en varm sommardag. Överljudsplan vid topphastighet kan utvidga sig flera centimeter på längden beroende på uppvärmning genom friktion mot luften. Konstruktioner som är utsatta för sådana effekter måste givetvis konstrueras så att förändringarna kan ske utan haverier.

Termostater

Expansionseffekten kan även användas i positiva sammanhang. I termostater använder man bimetallbläck. Dessa består av två sammansvetsade metaller i remsor som har olika utvidgningskoefficient t.ex järn och mässing. När temperaturen ökar eller minskar, förändras de två metallerna i olika grad, vilket gör att metallremsan böjs eller rätas ut och slår till eller från på en kontakt så att strömmen antingen kommer fram eller bryts.

När isen fryser

Isen har en ordnad struktur med mycket mellanrum.	I flytande vatten kan molekylerna komma närmare varandra.

Varför spricker vattenledningarna när det fryser? Vattenledningarna spricker p.g.a. att fruset vatten är större än vatten i flytande form. Om det står vatten i ledningen när det fryser kommer vattnet att utvidga sig och tar således mer plats vilket i sin tur leder till att ledningarna spricker.

Varför blir isen större när det blir kallt? Det är ju tvärtemot hur andra ämnen reagerar på kyla. Det beror på att is har en ordnad kristallstruktur där det är mycket tomrum mellan molekylerna. Isen tar därför mycket plats. I vatten däremot orienterar sig molekylerna fritt och kan då komma närmare varandra.

Varför knäpper det i väggarna?

Varför knäpper det i väggarna när man värmer upp ett kallt hus? De knäppningar i väggen man hör när ett kallt hus värms upp beror på den utvidgning träet gör till följd av värmen. Alla ämnen utvidgar sig ju i värme som vi konstaterat ovan. Men olika material utvidgar sig olika mycket och dessutom är temperturökningen inte lika snabb i hela huset. Värmeutvidgningen är också olika stora i fiberriktningen och vinklerätt mot fiberriktningen i trä. Därför rör sig delarna i huset lite i förhållande till varandra och när det "släpper" hör man en knäppning.

Hur fungerar en termometer?

Termometern innehåller ett ämne som utvidgar sig proportionellt mot värmen och ger därför ett samband mellan den omgivande temperaturen och den gradering den är uppmätt i.

Fördjupning