「熱膨張率」の版間の差分
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なお、熱膨張率の異なる材料を組合せて使う場合、温度変化による熱膨張率の違いから、熱[[応力]]が生じる。この熱応力により、材料に[[クラック]]などが入って壊れることがあり、様々なものの[[故障]]原因となっている。 |
なお、熱膨張率の異なる材料を組合せて使う場合、温度変化による熱膨張率の違いから、熱[[応力]]が生じる。この熱応力により、材料に[[クラック]]などが入って壊れることがあり、様々なものの[[故障]]原因となっている。 |
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2012年5月9日 (水) 06:29時点における版
熱膨張率(ねつぼうちょうりつ、英: coefficient of thermal expansion[1] 、CTE)は、温度の上昇によって物体の長さ・体積が膨張する割合を、1K(℃)当たりで示したものである。熱膨張係数(ねつぼうちょうけいすう)[1]ともいう。単位は 1/K である。
概要
列車の走行時にガタンゴトンと音がするのは、分岐器以外であれば、鉄の線膨張によるレールの歪みを防ぐ為にレール同士のつなぎ目に設けられた隙間に起因する。そのためこの音は気温の低い時の方がより大きくなる。
温度の上昇に対応して長さが変化する割合を線膨張率(線膨張係数)といい、体積の変化する割合を体積膨張率という。線膨張率をα、体積膨張率をβとすると β=3α の関係がある。
⊿L=α・L・⊿T(⊿L:伸び、L:長さ、⊿T:温度上昇)
原子間の結合の強さで決まる物性値なので、材料の融点と相関がある。
ある温度で体積変化を伴う相転移を起こす性質を利用して、使用温度領域で、線膨張が小さくなっている合金(アンバーまたはインバー合金)もある。
なお、熱膨張率の異なる材料を組合せて使う場合、温度変化による熱膨張率の違いから、熱応力が生じる。この熱応力により、材料にクラックなどが入って壊れることがあり、様々なものの故障原因となっている。
プルトニウムやタングステン酸ジルコニウムなどの一部の物質は、温度の上昇により収縮するという負膨張を起こす。身近なところでは、水が0℃から3.98℃までの範囲で負膨張を起こす。近年では、理化学研究所が2005年に、マンガン窒化物をベースとした負膨張率の高い新素材の開発に成功している[2]。
熱膨張率の詳細
固体の線膨張率
固体の線膨張率 は、単位長さあたりにおける、温度による長さの変化率として定義されるので、物体の長さを 、セルシウス温度をとすると、
と定義される。そして、固体の線膨張率はごく小さく、また、温度によらずほぼ一定とみなせるので、 ℃における物体の長さ は次のように表せる。
ここで は0℃における物体の長さである。
固体の線膨張率と体積膨張率の関係
固体の体積膨張率 は、物体の体積 を用いて次のように定義することができる。
ここで は を用いて
と表されるので、
となる。つまり、
である。
固体・液体の体積膨張率
日常的な温度範囲では固体・液体の体積膨張率はごく小さく、温度によらずほぼ一定とみなせるため、固体・液体の体積 は次のように表せる。
ここで は0℃における物体の体積である。
気体の体積膨張率
気体の場合は体積ではなく密度でその状態を表すことが多い。ここで気体の質量を とすると、密度 は、
となる。よって は、
と表せる。すなわち体積膨張率は密度の温度による変化率によっても表せる。
主な物質の線膨張率
(×10−6/K)
物質 | 線膨張率 |
---|---|
水銀 | 60 |
アルミニウム | 23 |
黄銅 | 19 |
コンクリート | 12 |
鉄・鋼 | 12.1(S30C:11.5) |
無水ケイ酸 | 0.5 |
ダイヤモンド | 1.1 |
パイレックスガラス | 3.2 |
タングステン | 4.3 |
炭化ケイ素 (SiC) | 6.6 |
クロム | 6.8 |
粘土 | 8 |
硬質ガラス | 8.5 |
アランダム | 8.7 |
白金 | 9 |
煉瓦 | 9.5 |
酸化マグネシウム | 9.7 |
アンチモン | 12 |
炭素鋼 | 10.8 |
ステンレス鋼 (SUS410) | 10.4 |
ステンレス鋼 (SUS304) | 17.3 |
コバルト | 12.4 |
ニッケル | 12.8 |
ビスマス | 13.3 |
金 | 14.3 |
銅 | 16.8 |
フッ化カルシウム | 19.5 |
ケイ素 | 2.4 |
マグネシウム | 25.4 |
亜鉛 | 30.2 |
スズ | 26.9 |
カドミウム | 28.8 |
鉛 | 29.1 |
塩化ナトリウム | 40.5 |
氷 (0℃) | 50.7 |
硫黄 | 64 |
ナトリウム | 75 |
カリウム | 83 |
パラフィン | 110 |
ゴム | 110 |
主な物質の体積膨張率
(×10−4/K)
物質 | 体積膨張率 | 備考 |
---|---|---|
水銀 | 1.8 | |
水 | 2.1(at20℃) | 4℃で膨張率0、4℃以下では膨張率は負の値となる。 |
脚注
関連項目