Θερμική διαστολή

Η θερμική διαστολή είναι το φαινόμενο κατά το οποίο αυξάνονται οι διαστάσεις ενός σώματος καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του. Το αντίθετο φαινόμενο, κατά το οποίο ένα σώμα μικραίνει, όταν η θερμοκρασία του μειώνεται ονομάζεται θερμική συστολή.

Διμεταλλικό έλασμα. Πάνω αριστερά δύο μεταλλικά ελάσματα διαφορετικού υλικού, πάνω δεξιά τα ίδια ελάσματα μετά από αύξηση της θερμοκρασίας, κάτω αριστερά τα δύο ελάσματα ενωμένα κατά μήκος, κάτω δεξιά το διμεταλλικό έλασμα κάμπτεται λόγω διαφοράς στη θερμική διαστολή.

Γενικά η διαστολή αφορά όλες τις διαστάσεις του σώματος, αλλά μπορεί η αύξηση μιας ή δύο διαστάσεων να είναι αμελητέες. Έτσι, υπάρχουν τρία είδη θερμικών διαστολών:

• Γραμμική διαστολή, η οποία παρατηρείται σε μακρόστενα αντικείμενα και στην οποία αυξάνεται το μήκος τους, όπως π.χ. σε εναέρια καλώδια, συρματόσχοινα, αντηρίδες κ.λπ.. Βρίσκει εφαρμογή σε διμεταλλικά ελάσματα, θερμόμετρα και γενικά συσκευές που σχετίζονται με τη μηχανική και τη θερμοκρασία.
• Διαστολή εμβαδού, ή επιφανειακή, ή τετραγωνική, η οποία παρατηρείται σε επιφάνειες και στην οποία αυξάνεται το εμβαδόν τους, όπως π.χ. σε μεταλλικά σκέπαστρα, ψιλές λαμαρίνες κ.λπ..
• Διαστολή όγκου, ή κυβική διαστολή' όπου όλες οι διαστάσεις του αντικειμένου αυξάνονται σημαντικά.

Συνήθως τα δύο πρώτα είδη διαστολών αφορούν στερεά, ενώ το τρίτο αφορά συνήθως στερεά καθώς και υγρά και αέρια. Ο λόγος είναι ότι τα υγρά και αέρια ως ρευστά δεν έχουν σταθερό γραμμικό ή επίπεδο σχήμα.

Κατά τη διάρκεια της διαστολής η πυκνότητα του αντικειμένου μειώνεται, ώστε να αυξάνονται και οι δυνάμεις της άνωσης. Αυτό βρίσκει εφαρμογή στο αερόστατο, όπου ο αέρας λόγω θέρμανσης μειώνει την πυκνότητά του, αλλά εγκλωβίζεται στο αερόστατο συμπαρασύροντάς το στην ανοδική κίνηση.

Διαστολή στα στερεά

Η θερμική διαστολή των στερεών συνεπάγεται τη μεταβολή του όγκου τους. Για αυτό όταν ορίζουμε τα στερεά ως σώματα με σταθερό όγκο χρειάζεται προσοχή, έχουν σταθερό όγκο υπό συγκεκριμένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Η θερμική διαστολή εμφανίζεται όταν η θερμοκρασία μεταβάλλεται, ενώ ο όγκος του στερεού σταθεροποιείται σε έναν συγκεκριμένο όγκο μόλις σταθεροποιηθεί και η θερμοκρασία του.

Φυσική εξήγηση της θερμικής διαστολής

Διαστολή παρατηρείται σε όλα τα σώματα, στερεά υγρά και αέρια, όταν θερμανθούν. Λόγω της θερμοκρασίας τα σωματίδια (άτομα) επιταχύνονται και απομακρύνονται με συνέπεια να αυξάνεται ο όγκος του σώματος. Το ποσοστό διαστολής του σώματος εξαρτάται από τη θερμότητα που του προσφέρεται, το είδος του υλικού και τον όγκο του σώματος.

Τα άτομα έχουν μία μέση απόσταση ισορροπίας μεταξύ τους, η οποία εξαρτάται από την ταλάντωσή τους, η οποία εξαρτάται από τη θερμική ενέργεια. Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία, αυξάνεται θερμική ενέργεια του σώματος, δηλαδή αυξάνεται η μέση ενέργεια του κάθε σωματιδίου. Αυτό σημαίνει ότι αυξάνεται το πλάτος της ταλάντωσής τους, άρα αυξάνεται και η μέση απόσταση ισορροπίας μεταξύ των δομικών σωματιδίων του σώματος.

Ειδικότερα, η διαστολή οφείλεται στο γεγονός ότι η καμπύλη του δυναμικού του κρυσταλλικού πλέγματος μέσα σε ένα στερεό σώμα δεν είναι παραβολική. Από φυσικής άποψης, ενώ οι δυνάμεις ανάμεσα στα άτομα ακολουθούν τον νόμο του Χουκ κοντά στη θέση ισορροπίας, καθώς προσφέρεται θερμότητα και τα άτομα απομακρύνονται από την αρχική τους θέση, το σύστημα συμπεριφέρεται σαν αναρμονικός ταλαντωτής. Έτσι, η "μέση θέση ισορροπίας" των ατόμων μετατοπίζεται, κάτι που σημαίνει αύξηση στον όγκο ενός σώματος.

Η θερμική διαστολή δεν εμφανίζεται όταν η παραπάνω εξήγηση δεν ισχύει. Τότε λέμε ότι έχουμε ανώμαλη διαστολή και εμφανίζεται συνήθως σε υγρά στις αλλαγές φάσης. Ο λόγος είναι ότι κατά την αλλαγή φάσης αλλάζει η εσωτερική δομή του σώματος και εξαρτάται και από τη μέση απόσταση συμπλεγμάτων, η οποία μειώνεται, εκτός από τη μέση απόσταση των στοιχειωδών σωματιδίων.

Το νερό είναι χαρακτηριστικό παράδειγμα ανώμαλης διαστολής, δηλαδή η πυκνότητά του συνεχίζει να μειώνεται και κάτω από τους 0^oC -εκτός από τους 0^oC έως τους 4^oC που γίνεται συστολή- με αποτέλεσμα το νερό να έχει μεγαλύτερη πυκνότητα από τον πάγο, κι έτσι ο πάγος να επιπλέει π.χ. σε μια λίμνη και να επιτρέπει τη διατήρηση της υδρόβιας ζωής στο υγρό νερό που βρίσκεται από κάτω.

Οι μεταβολές στις διαστάσεις του υλικού μετρώνται μέσω του συντελεστή γραμμικής θερμικής διαστολής α.

Η θερμική διαστολή στα κεραμικά υλικά

Τα κεραμικά με υψηλό βαθμό ιοντικού δεσμού, έχουν θερμική διαστολή παρόμοια με των μετάλλων, δηλαδή η συνολική θερμική διαστολή του μορίου ισούται με το άθροισμα των επιμέρους θερμικών διαστολών των ατόμων. Όσο οι δυνάμεις των δεσμών αυξάνουν και όσο το ποσοστό των ομοιοπολικών δεσμών αυξάνει, τόσο η θερμική διαστολή μειώνεται. Οι κρυσταλλικές δομές με κυβική συμμετρία έχουν ομοιόμορφη θερμική διαστολή κατά μήκος των τριών αξόνων και αναφέρονται σαν ισοτροπικές. Οι μονοκρύσταλλοι ή οι μη κυβικές έχουν ανομοιόμορφη θερμική διαστολή και ονομάζονται ανισοτροπικές.