熱膨張
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/04/12 13:48 UTC 版)
概要
膨張の予測
状態方程式が適用できる場合は、それを用いれば与えられた温度や圧力（そのほか多くの必要な状態量すべて）における熱膨張の値を予測することができる。
負の熱膨張
幾つかの物質は、特定の温度範囲内で加熱すると収縮することがあり、通常これは「負の熱膨張」と呼ばれる（「熱収縮」ではない）。たとえば、水は3.983 ℃に冷却されると熱膨張係数がゼロに下がり、この温度より低くなると負の熱膨張を示す。これは水がこの温度で最大密度になるという意味であり、したがって氷点下の気温においても湖の表面に氷が張るだけで、最大密度である約4 ℃の水は湖底に沈んでおり、外気に触れないため凍らないままでいることになる[2]。また、かなり高純度のシリコンは18 - 120 Kの温度帯で負の熱膨張係数になる[3]。
影響を与える要因
気体や液体とは異なり、固体物質は熱膨張が進行する際も形状を保つ傾向がある。
熱膨張は一般に結合エネルギーの増加に伴って減少し、固体の融点は結合エネルギーとともに増大するため、高融点物質では熱膨張が低くなる可能性が高い。一般に、液体は固体よりも僅かに大きく膨張する。ガラスの熱膨張は結晶に比べて大きくなる[4]。ガラス転移温度でアモルファス物質に起こる再配置は、熱膨張係数と比熱に特徴的な不連続をもたらす。この不連続性が、過冷却された液体がガラスに変化するガラス転移温度の検出を可能にしている[5]。ガラスになる液体が外部から加熱された際は「加熱による冷却(cooling-by-heating)」という意外な効果が起こり、液体内の深部では温度が低下する[6]。
多くの一般的な物質では、水（やその他溶媒）が吸収されたり脱離したりすることで大きさが変わる場合もある。有機物質の多くは、熱膨張よりもこの効果によって大きく体積変化する。一般的なプラスチックは水にさらされると、長期的には大きな割合で膨張していく[7]。
密度への影響
熱膨張は物質の粒子間の間隔を変化させ、それによって物質の体積を変化させる一方で、その質量を無視できる程度に変化させ（無視できる量は質量とエネルギーの等価性に基づく）、したがってその密度が変化して、それに作用する浮力に影響を及ぼす。これは、不均一に加熱された流体の対流において重要な役割を果たし、とりわけ熱膨張は一部の風や海流を発生させる役目を果たしている。
- ^ Physics for Scientists and Engineers - Volume 1 Mechanics/Oscillations and Waves/Thermodynamics. New York, NY: Worth Publishers. (2008). pp. 666?670. ISBN 978-1-4292-0132-2
- ^ 文部科学省「第1章 水の性質と役割（要旨）」2022年1月20日閲覧。
- ^ Bullis, W. Murray (1990). “Chapter 6”. In O'Mara, William C.; Herring, Robert B.; Hunt, Lee P.. Handbook of semiconductor silicon technology. Park Ridge, New Jersey: Noyes Publications. p. 431. ISBN 978-0-8155-1237-0 2010年7月11日閲覧。
- ^ Varshneya, A. K. (2006). Fundamentals of inorganic glasses. Sheffield: Society of Glass Technology. ISBN 978-0-12-714970-7
- ^ Ojovan, M. I. (2008). “Configurons: thermodynamic parameters and symmetry changes at glass transition”. Entropy 10 (3): 334-364. Bibcode: 2008Entrp..10..334O. doi:10.3390/e10030334.
- ^ Papini, Jon J.; Dyre, Jeppe C.; Christensen, Tage (2012-11-29). “Cooling by Heating---Demonstrating the Significance of the Longitudinal Specific Heat”. Physical Review X 2 (4): 041015. arXiv:1206.6007. Bibcode: 2012PhRvX...2d1015P. doi:10.1103/PhysRevX.2.041015.
- ^ 鹿島化学金属「プラスチック（樹脂）の吸水率」2022年1月20日閲覧。膨張率は種類によって様々だが、特にナイロン等の樹脂は水を吸いやすく、紙おむつ等に使われる高吸水性ポリマー(SAP)が水を吸うプラスチックの典型。
- ^ Ganot, A.; translated by Atkinson, E. (1883). Elementary treatise on physics experimental and applied for the use of colleges and schools. New York: William and Wood & Co. pp. pp. 272–273. doi:10.5479/sil.324524.39088000931592
- ^ Track Buckling Research. Volpe Center, U.S. Department of Transportation
- ^ Cost or savings of thermal expansion in above ground tanks. Artofbeingcheap.com (2013-09-06). Retrieved 2014-01-19.
- ^ Lateral, Angular and Combined Movements U.S. Bellows.
- ^ 横河計器製作所「バイメタル式温度計とは」2022年1月22日閲覧。
- 熱膨張のページへのリンク
