熱膨張率

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出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/05/04 07:22 UTC 版)

主な物質の線膨張率

（10⁻⁶/K）

（10⁻⁴/K）

物質	体積膨張率	備考
水銀	1.8
水	2.1（at 20 °C）	4 °C で膨張率0、4 °C 以下では膨張率は負の値となる。

温度変化による自由熱膨張（あるいは収縮）が拘束される場合に物体内に生じる応力を熱応力^[4]、ひずみを熱ひずみという。

線膨張率 $α$ 、ヤング率 $E$ の棒が、その両端を固定され長さが変化しない状態で $ΔT$ だけ温度変化したとき、その棒に生じる熱応力 $σ t$ と熱ひずみ $ε t$ は

{\begin{aligned}\sigma _{t}&=-\alpha E\Delta T,\\\epsilon _{t}&=-\alpha \Delta T\end{aligned}}

となる。

機械装置の起動時などのような過渡的な状態では、物体に急激な加熱または冷却が加わり一時的に大きな温度分布が生じることがある。このような場合に生じる熱応力を非定常熱応力、特に急速な非定常熱応力が生じる現象を熱衝撃という^[5]。熱衝撃の理論的な解析には、ビオ数が用いられる。

殆どの固体の線膨張係数はごく小さく、通常の温度変化でのひずみは小さいが、その変形は物体の長さに比例するため、長大な物体では変形の影響が無視できない。

線路を敷く際にレールが夏に伸びることを前提として、レール同士の継ぎ目に隙間が設けられている。列車が「ガタンゴトン」と走行音を立てるのは、この継ぎ目を通過する際の音である（分岐器は別とする）^{[注 1]}。

電柱に架けられる送電線（架線）は夏は配線がたわんでも安全な高度を確保できるよう、冬は配線が縮れて破断しないよう、それぞれ念頭に設計される。

超音速で飛行する航空機は機体が断熱圧縮の影響で高温に晒されることから対策は必須である。特にマッハ3を優に超える高速で飛行する SR-71 ブラックバードでは膨張が著しいことから、飛行中の機体状態を正常とすべく、部品同士に隙間が設けられている。これによって地上ではどうしても燃料類が漏れ出てしまう仕様となっていた。ただし引火点は極めて高く、マッチくらいで燃えることはない。オイルに至っては常温ではバター状になってしまう。

^ ただし、この隙間は（電車の場合）1両あたり30トン前後の重量がある鉄道車両が通るため、乗り心地を悪くしたり、車輪を傷つける要因ともなる。そのため、2009年現在では、25mのレールを現地で溶接して長いロングレールにしたうえで、熱膨張による影響を抑えるために、レールの先端を斜めに加工して接続するのが主流となっており、ガタンゴトンというジョイント音は過去のものとなりつつある^[6]。