3. Lämpölaajeneminen

Question 1

Mitä on lämpölaajeneminen?

Answer 1

Kun lämpötila nousee, aineen sisäenergia kasvaa ja aineen rakenneosasten lämpöliike lisääntyy. Lisääntyneen lämpöliikkeen takia rakenneosaset tarvitsevat enemmän tilaa, jonka seurauksena aine laajenee. Vastaavasti lämpötilan laskiessa, aine supistuu. Tätä ilmiötä kutsutaan lämpölaajenemiseksi.

Question 2

Miten aineen olomuoto vaikuttaa lämpölaajenemiseen?

Answer 2

Aineet laajenevat kaikissa olomuodoissaan. Tyypillisesti kuitenkin kaasut laajenevat lämmetessään eniten ja kiinteät aineet puolestaan vähiten. Kiinteän aineen laajetessa, sen rakenneosien väliset etäisyydet kasvavat ja ne värähtelevät keskimäärin kauempana toisistaan. Kaikissa olomuodoissa laajenevan kappaleen mitat kasvavat kaikkiin suuntiin.

Question 3

Mitkä kolme asiaa vaikuttavat aineen lämpölaajenemiseen?
Mitä tarkoittaa pituuden lämpötilakerroin?

Answer 3

Aineen lämpölaajenemiseen vaikuttaa: materiaali, lämpötilan muutoksen suuruus ja kappaleen alkuperäinen pituus.

Pituuden lämpötilakerroin on materiaalille ominainen suure, joka kuvaa miten kappaleen pituus muuttuu, kun lämpötila muuttuu 1 celsiusasteen.

Kirjaintunnus: alfa
yksikkö: 1/C tai 1/K

Question 4

Mitä tarkoitetaan tilavuuden lämpötilakertoimella?

Answer 4

Tilavuuden lämpötilakerroin on materiaalille ominainen suure, joka kuvaa, miten kappaleen tilavuus muuttuu lämpötilan muuttuessa yhden celsiusasteen.

Question 5

Miten olomuoto vaikuttaa kappaleen tilavuuden lämpölaajenemiseen?

Answer 5

Tyypillisesti kiinteät aineet laajenevat lämpötilan noustessa vähemmän kuin nesteet ja kaasumaiset aineet. Kaasumaiset aineet laajenevat eniten.

Vesi on kuitenkin lämpölaajenemisen näkökulmasta poikkeuksellinen aine, sillä sen tilavuuden lämpötilakerroin kasvaa merkittävästi lämpötilan noustessa.

Question 6

Mikä on kiinteän aineen tilavuuden lämpötilakertoimen ja pituuden lämpötilakertoimen suhde? Entä pinta-alan lämpötilakertoimen ja pituuden lämpötilakertoimen?

Answer 6

Kiinteän aineen tilavuuden lämpötilakerroin voidaan laskea pituuden lämpötilakertoimen avulla yhtälöllä gamma=3 alfaa.

Kiinteän aineen pinta-alan lämpötilakertoimen voi myös laskea pituuden lämpötilakertoimesta yhtälöllä beeta=2 alfaa.

Question 7

Miten materiaalien lämpölaajeneminen tulee huomioida?

Answer 7

Materiaalien lämpölaajeneminen on huomioitava esimerkiksi rakentamisessa ja erilaisten koneiden ja laitteiden suunnittelussa. Materiaalien lämpölaajenemisen huomioonottaminen ehkäisee rakenteiden rikkoutumista ja muita mahdollisia tuhoja.

1. Silloissa kannen pää asetetaan laakereiden päälle tai päihin jätetään laajenemisvaraa.
2. Kotitalouksissa vesijohdoissa suuria lämpötilaeroja -> vesiputkien kiinnityskohtien paikkojen järkevä valinta ja tilan jättäminen laajenemiselle.
3. Erityisesti huomioitava rakenteissa, joissa eri materiaaleja on yhdistetty –> lämpötilakertoimet tulee olla lähellä toisiaan.
4. Polttomoottoreissa sylinterien männät kuumenevat polttoainetta poltettaessa –> männän halkaisija hieman sylinteriputken halkaisijaa pienempi, ettei mäntä laajentuessaan juutu sylinteriin
5. Jään lämpölaajeneminen rikkoo vesiputkia –> sulaessa vesivahinko