तापीय प्रसार

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एक सड़क पुल में विस्तार संयुक्त थर्मल विस्तार से नुकसान से बचने के लिए उपयोग किया जाता है।

ऊष्मीय प्रसार तापमान में परिवर्तन की प्रतिक्रिया में पदार्थ के आकार, क्षेत्रफल, आयतन और घनत्व को बदलने की प्रवृत्ति है, जिसमें प्रायः चरण संक्रमण सम्मिलित नहीं होते हैं।

तापमान किसी पदार्थ की औसत आणविक गतिज ऊर्जा का एक मोनोटोनिक कार्य है। जब किसी पदार्थ को गर्म किया जाता है, तो अणु कंपन करना प्रारम्भ कर देते हैं और अधिक गति करते हैं, प्रायः आपस में अधिक दूरी बनाते हैं। पदार्थ जो बढ़ते तापमान के साथ अनुबंध करते हैं, वे असामान्य हैं, और केवल सीमित तापमान सीमाओं के भीतर होते हैं (नीचे उदाहरण देखें)। तापमान में परिवर्तन से विभाजित सापेक्ष विस्तार (जिसे तनाव भी कहा जाता है) को रैखिक ऊष्मीय प्रसार के पदार्थ का गुणांक कहा जाता है और प्रायः तापमान के साथ बदलता रहता है। जैसे-जैसे कणों में ऊर्जा बढ़ती है, वे अपने बीच के अंतर-आणविक बलों को कमजोर करते हुए तेजी से और तेजी से आगे बढ़ने लगते हैं, इसलिए पदार्थ का विस्तार होता है।

अवलोकन

विस्तार की भविष्यवाणी

यदि अवस्था का एक समीकरण उपलब्ध है, तो इसका उपयोग कई अन्य अवस्था कार्यों के साथ-साथ सभी आवश्यक तापमानों और दबावों पर तापीय विस्तार के मानों की भविष्यवाणी करने के लिए किया जा सकता है।

संकुचन प्रभाव (ऋणात्मक तापीय विस्तार)

कुछ तापमान सीमाओं के भीतर गर्म करने पर कई पदार्थ अनुबंधित होते हैं इसे प्रायः "तापीय संकुचन" के बजाय ऋणात्मक तापीय विस्तार कहा जाता है। उदाहरण के लिए, पानी के तापीय विस्तार का गुणांक शून्य हो जाता है क्योंकि इसे 3.983 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा किया जाता है और फिर इस तापमान से नीचे ऋणात्मक हो जाता है इसका मतलब है कि इस तापमान पर पानी का घनत्व अधिकतम होता है, और इससे पानी के पिंडों को उप-शून्य मौसम की विस्तारित अवधि के दौरान अपनी निचली गहराई पर इस तापमान को बनाए रखते हैं।

अन्य पदार्थोंं को भी ऋणात्मक तापीय विस्तार प्रदर्शित करने के लिए जाना जाता है। लगभग 18 और 120 केल्विन के बीच तापमान के लिए काफी शुद्ध सिलिकॉन में तापीय विस्तार का ऋणात्मक गुणांक होता है। ऑलवर (ALLVAR) मिश्र 30, एक टाइटेनियम मिश्र धातु, तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में एक अनिसोट्रोपिक नकारात्मक तापीय विस्तार प्रदर्शित करता है।

तापीय प्रसार को प्रभावित करने वाले कारक

गैसों या तरल पदार्थों के विपरीत, ठोस पदार्थ तापीय विस्तार के दौरान अपना आकार बनाए रखते हैं।

तापीय विस्तार प्रायः बांड ऊर्जा में वृद्धि के साथ कम हो जाता है, जिसका ठोस के गलनांक पर भी प्रभाव पड़ता है, इसलिए, उच्च गलनांक पदार्थ में कम तापीय विस्तार होने की अधिक संभावना होती है। सामान्य तौर पर, तरल पदार्थ ठोस की तुलना में थोड़ा अधिक फैलता है। क्रिस्टल की तुलना में चश्मे का तापीय विस्तार थोड़ा अधिक होता है। कांच के संक्रमण तापमान पर, एक अनाकारपदार्थ में होने वाली पुनर्व्यवस्था तापीय विस्तार और विशिष्ट ऊष्मा के गुणांक की विशेषता विच्छेदन की ओर ले जाती है। ये असंतुलन कांच संक्रमण तापमान का पता लगाने की अनुमति देता है जहां एक आयतनमितीय तरल एक गिलास में बदल जाता है। एक दिलचस्प "कूलिंग-बाय-हीटिंग" प्रभाव तब होता है जब एक गिलास बनाने वाले तरल को बाहर से गर्म किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप तरल के अंदर तापमान में गिरावट आती है।

पानी का अवशोषण या अवशोषण (या अन्य विलायकों) कई सामान्य पदार्थों के आकार को बदल सकता है; कई कार्बनिक पदार्थ तापीय विस्तार की तुलना में इस प्रभाव के कारण आकार में बहुत अधिक परिवर्तन करते हैं। पानी के संपर्क में आने वाले सामान्य प्लास्टिक लंबे समय में कई प्रतिशत तक फैल सकते हैं।

घनत्व पर प्रभाव

ऊष्मीय प्रसार किसी पदार्थ के कणों के बीच के स्थान को बदल देता है, जो पदार्थ के आयतन में परिवर्तन करता है, जबकि उसके द्रव्यमान को नगण्य रूप से बदलता है (नगण्य राशि ऊर्जा-द्रव्यमान तुल्यता से आती है), इस प्रकार इसका घनत्व बदल जाता है, जिसका प्रभाव किसी भी उत्प्लावक बल पर होता है। यह। यह असमान रूप से गर्म द्रव द्रव्यमान के संवहन में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, विशेष रूप सेतापीय विस्तार को हवा और समुद्री धाराओं के लिए आंशिक रूप से जिम्मेदार बनाता है।

तापीय विस्तार का गुणांक

तापीय विस्तार का गुणांक बताता है कि तापमान में बदलाव के साथ किसी वस्तु का आकार कैसे बदलता है। विशेष रूप से, यह स्थिर दबाव पर तापमान में प्रति डिग्री परिवर्तन के आकार में भिन्नात्मक परिवर्तन को मापता है, जैसे कि कम गुणांक आकार में परिवर्तन के लिए कम प्रवृत्ति का वर्णन करते हैं। कई प्रकार के गुणांक विकसित किए गए हैं- आयतनमितीय, क्षेत्र और रैखिक। गुणांक का चुनाव विशेष अनुप्रयोग पर निर्भर करता है और कौन से आयामों को महत्वपूर्ण माना जाता है। ठोस पदार्थों के लिए, किसी का संबंध केवल लंबाई के साथ या किसी क्षेत्र में परिवर्तन से हो सकता है।

आयतनमितीय तापीय विस्तार गुणांक सबसे बुनियादी तापीय विस्तार गुणांक है, और तरल पदार्थ के लिए सबसे अधिक प्रासंगिक है। सामान्य तौर पर, सभी दिशाओं में होने वाले विस्तार या संकुचन के साथ, उनके तापमान में परिवर्तन होने पर पदार्थ फैलते या सिकुड़ते हैं। वे पदार्थ जो सभी दिशाओं में समान दर से फैलते हैं, समदैशिक कहलाते हैं। आइसोट्रोपिक पदार्थों के लिए, क्षेत्र और आयतनमितीय, तापीय विस्तार गुणांक क्रमशः रैखिक तापीय विस्तार गुणांक से लगभग दोगुना और तीन गुना बड़ा होता है।

ठोस, द्रव और गैसों के लिए इन गुणांकों की गणितीय परिभाषाएँ नीचे दी गई हैं।

सामान्य तापीय विस्तार गुणांक

गैस, तरल, या ठोस के सामान्य मामले में, तापीय विस्तार का आयतनमितीय गुणांक द्वारा दिया जाता है

$$\alpha =\alpha _{\text{V}}={\frac {1}{V}}\,\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)_{p}$$

व्युत्पन्न के लिए सबस्क्रिप्ट "पी" इंगित करता है कि विस्तार के दौरान दबाव स्थिर रहता है, और सबस्क्रिप्ट वी (V) तनाव देता है कि यह आयतनमितीय (रैखिक नहीं) विस्तार है जो इस सामान्य परिभाषा में प्रवेश करता है। गैस के मामले में, यह तथ्य कि दबाव स्थिर रहता है, महत्वपूर्ण है, क्योंकि गैस की मात्रा दबाव के साथ-साथ तापमान के साथ काफी भिन्न होगी। कम घनत्व वाली गैस के लिए इसे आदर्श गैस नियम से देखा जा सकता है।

ठोस में विस्तार

तापीय विस्तार की गणना करते समय यह विचार करना आवश्यक है कि क्या पिंड विस्तार के लिए स्वतंत्र है या बाध्य है। यदि पिंड विस्तार करने के लिए स्वतंत्र है, तो तापमान में वृद्धि के परिणामस्वरूप होने वाले विस्तार या तनाव की गणना तापीय विस्तार के लागू गुणांक का उपयोग करके की जा सकती है।

यदि पिंड को बाध्य किया जाता है ताकि उसका विस्तार न हो सके, तो तापमान में परिवर्तन के कारण आंतरिक तनाव उत्पन्न (या परिवर्तित) होगा। इस तनाव की गणना उस तनाव पर विचार करके की जा सकती है जो तब होता है जब पिंड विस्तार करने के लिए स्वतंत्र होता है और उस तनाव को शून्य तक कम करने के लिए आवश्यक तनाव, लोचदार या यंग के मापांक द्वारा विशेषता तनाव / तनाव संबंध के माध्यम से होता है। ठोस पदार्थों के विशेष मामले में, बाहरी परिवेश का दबाव प्रायः किसी वस्तु के आकार को प्रभावित नहीं करता है और इसलिए प्रायः दबाव परिवर्तन के प्रभाव पर विचार करना आवश्यक नहीं होता है।

सामान्य इंजीनियरिंग ठोस में प्रायः तापीय विस्तार के गुणांक होते हैं जो तापमान की सीमा पर महत्वपूर्ण रूप से भिन्न नहीं होते हैं जहां उन्हें उपयोग करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, इसलिए जहां अत्यधिक उच्च सटीकता की आवश्यकता नहीं होती है, व्यावहारिक गणना स्थिर, औसत, विस्तार के गुणांक मान पर आधारित हो सकती है।

रैखिक विस्तार

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थर्मल विस्तार के कारण एक रॉड की लंबाई में परिवर्तन।

रैखिक विस्तार का अर्थ है मात्रा में परिवर्तन (आयतनमितीय विस्तार) के विपरीत एक आयाम (लंबाई) में परिवर्तन। पहले सन्निकटन के लिए, तापीय विस्तार के कारण किसी वस्तु की लंबाई माप में परिवर्तन रैखिक तापीय विस्तार (सीएलटीई) के गुणांक द्वारा तापमान परिवर्तन से संबंधित है। यह तापमान परिवर्तन की प्रति डिग्री लंबाई में भिन्नात्मक परिवर्तन है। दबाव के नगण्य प्रभाव को मानते हुए, हम लिख सकते हैं-

$$\alpha _{L}={\frac {1}{L}}\,{\frac {\mathrm {d} L}{\mathrm {d} T}}$$

जहाँ $L$ एक विशेष लंबाई माप है और $\mathrm {d} L/\mathrm {d} T$ तापमान में प्रति यूनिट परिवर्तन उस रैखिक आयाम के परिवर्तन की दर है।

रैखिक आयाम में परिवर्तन का अनुमान लगाया जा सकता है

$${\frac {\Delta L}{L}}=\alpha _{L}\Delta T$$

यह अनुमान तब तक काम करता है जब तक कि रैखिक-विस्तार गुणांक तापमान में परिवर्तन पर बहुत अधिक नहीं बदलता है $\Delta T$, और लंबाई में भिन्नात्मक परिवर्तन छोटा है $\Delta L/L\ll 1$। यदि इनमें से कोई भी शर्तें लागू नहीं होती हैं, तो सटीक अंतर समीकरण (उपयोग $\mathrm {d} L/\mathrm {d} T$) एकीकृत होना चाहिए।

तनाव पर प्रभाव

छड़ या केबल जैसी महत्वपूर्ण लंबाई वाली ठोस सामग्रियों के लिए, थर्मल विस्तार की मात्रा का अनुमान सामग्री तनाव द्वारा वर्णित किया जा सकता है, जो $\epsilon _{\mathrm {thermal} }$ द्वारा दिया गया है और इस प्रकार परिभाषित किया गया है-

$$\epsilon _{\mathrm {thermal} }={\frac {(L_{\mathrm {final} }-L_{\mathrm {initial} })}{L_{\mathrm {initial} }}}$$

जहाँ $L_{\mathrm {initial} }$ तापमान के परिवर्तन से पहले की लंबाई है और $L_{\mathrm {final} }$ तापमान में परिवर्तन के बाद की लंबाई है।

अधिकांश ठोस पदार्थों के लिए, थर्मल विस्तार तापमान में परिवर्तन के समानुपाती होता है

$$\epsilon _{\mathrm {thermal} }\propto \Delta T$$

इस प्रकार, या तो तनाव या तापमान में परिवर्तन का अनुमान लगाया जा सकता है

$$\epsilon _{\mathrm {thermal} }=\alpha _{L}\Delta T$$

जहाँ,

$$\Delta T=(T_{\mathrm {final} }-T_{\mathrm {initial} })$$

दो रिकॉर्ड किए गए उपभेदों के बीच तापमान का अंतर है, जिसे डिग्री फ़ारेनहाइट, डिग्री रैंकिन, डिग्री सेल्सियस या केल्विन में मापा जाता है, और $\alpha _{L}$"प्रति डिग्री" में तपीय विस्तार का रैखिक गुणांक है फ़ारेनहाइट", "प्रति डिग्री रैंकिन", "प्रति डिग्री सेल्सियस", या "प्रति केल्विन", जिसे क्रमशः °F−1, R−1, °C−1, या K−1 द्वारा दर्शाया जाता है। सातत्य यांत्रिकी के क्षेत्र में, ऊष्मीय प्रसार और उसके प्रभावों को आइजनस्ट्रेन और आइजेनस्ट्रेस के रूप में माना जाता है।

क्षेत्र विस्तार

क्षेत्र तापीय विस्तार गुणांक तापमान में परिवर्तन के लिए पदार्थ के क्षेत्र आयामों में परिवर्तन से संबंधित है। यह तापमान परिवर्तन के प्रति डिग्री क्षेत्र में भिन्नात्मक परिवर्तन है। दबाव की उपेक्षा करते हुए, हम लिख सकते हैं-

$$\alpha _{A}={\frac {1}{A}}\,{\frac {\mathrm {d} A}{\mathrm {d} T}}$$

जहाँ $A$ वस्तु पर रुचि का कुछ क्षेत्र है, और $dA/dT$ तापमान में प्रति इकाई परिवर्तन उस क्षेत्र के परिवर्तन की दर है।

क्षेत्र में परिवर्तन का अनुमान इस प्रकार लगाया जा सकता है

$${\frac {\Delta A}{A}}=\alpha _{A}\Delta T$$

यह समीकरण तब तक अच्छी तरह से काम करता है जब तक क्षेत्र विस्तार गुणांक तापमान में परिवर्तन $\Delta T$,पर अधिक नहीं बदलता है, और क्षेत्र में भिन्नात्मक परिवर्तन छोटा है $\Delta A/A\ll 1$। यदि इनमें से कोई भी शर्तें लागू नहीं होती हैं, तो समीकरण को एकीकृत किया जाना चाहिए।

वॉल्यूम विस्तार

एक ठोस के लिए, हम पदार्थ पर दबाव के प्रभावों की उपेक्षा कर सकते हैं, और आयतनमितीय (या घनीय) तापीय विस्तार गुणांक लिखा जा सकता है

$$\alpha _{V}={\frac {1}{V}}\,{\frac {\mathrm {d} V}{\mathrm {d} T}}$$

जहाँ $V$ पदार्थ का आयतन है, और $\mathrm {d} V/\mathrm {d} T$ तापमान के साथ उस मात्रा के परिवर्तन की दर है।

इसका अर्थ यह है कि किसी पदार्थ का आयतन कुछ निश्चित भिन्नात्मक मात्रा से बदलता है। उदाहरण के लिए, 1 घन मीटर की मात्रा वाला स्टील ब्लॉक 1.002 घन मीटर तक फैल सकता है जब तापमान 50 K बढ़ा दिया जाता है। यह 0.2% का विस्तार है। यदि हमारे पास 2 घन मीटर की मात्रा के साथ स्टील का एक ब्लॉक था, तो उन्हीं परिस्थितियों में, यह 2.004 घन मीटर तक विस्तारित होगा, फिर से 0.2% का विस्तार। 50 K, या 0.004% K−1 के लिए आयतनमितीय विस्तार गुणांक 0.2% होगा।

यदि हम विस्तार गुणांक पहले से ही जानते हैं, तो हम आयतन में परिवर्तन की गणना कर सकते हैं

$${\frac {\Delta V}{V}}=\alpha _{V}\Delta T$$

जहाँ $\Delta V/V$ आयतन में आंशिक परिवर्तन है (जैसे, 0.002) और $\Delta T$ तापमान में परिवर्तन (50° C) है।

उपरोक्त उदाहरण मानता है कि तापमान में परिवर्तन के कारण विस्तार गुणांक नहीं बदला और मूल आयतन की तुलना में आयतन में वृद्धि कम है। यह हमेशा सच नहीं होता है, लेकिन तापमान में छोटे बदलावों के लिए, यह एक अच्छा सन्निकटन है। यदि तापमान के साथ आयतनमितीय विस्तार गुणांक काफी बदलता है, या मात्रा में वृद्धि महत्वपूर्ण है, तो उपरोक्त समीकरण को एकीकृत करना होगा-

$$\ln \left({\frac {V+\Delta V}{V}}\right)=\int _{T_{i}}^{T_{f}}\alpha _{V}(T)\,\mathrm {d} T$$

$${\frac {\Delta V}{V}}=\exp \left(\int _{T_{i}}^{T_{f}}\alpha _{V}(T)\,\mathrm {d} T\right)-1$$

जहाँ $\alpha _{V}(T)$ तापमान T के फलन के रूप में आयतनमितीय विस्तार गुणांक है और $T_{i}$,$T_{f}$ क्रमशः प्रारंभिक और अंतिम तापमान हैं।

आइसोट्रोपिक पदार्थ

आइसोट्रोपिक पदार्थों के लिए आयतनमितीय तापीय विस्तार गुणांक रैखिक गुणांक का तीन गुना है

$$\alpha _{V}=3\alpha _{L}$$

यह अनुपात उत्पन्न होता है क्योंकि आयतन तीन परस्पर ओर्थोगोनल दिशाओं से बना होता है। इस प्रकार, एक आइसोट्रोपिक सामग्री में, छोटे अंतर परिवर्तनों के लिए, वॉल्यूमेट्रिक विस्तार का एक तिहाई एक अक्ष में होता है। एक उदाहरण के रूप में, स्टील का एक क्यूब लें जिसकी लंबाई L है। मूल आयतन $V=L^{3}$होगा और नई मात्रा, एक तापमान में वृद्धि के बाद, होगी

$$V+\Delta V=\left(L+\Delta L\right)^{3}=L^{3}+3L^{2}\Delta L+3L\Delta L^{2}+\Delta L^{3}\approx L^{3}+3L^{2}\Delta L=V+3V{\frac {\Delta L}{L}}.$$

हम शब्दों को आसानी से अनदेखा कर सकते हैं क्योंकि L एक छोटी मात्रा है जो वर्ग करने पर बहुत कम हो जाती है और घन करने पर स्थिर हो जाती है।

इसलिए

$${\frac {\Delta V}{V}}=3{\Delta L \over L}=3\alpha _{L}\Delta T.$$

उपरोक्त अनुमान छोटे तापमान और आयामी परिवर्तनों के लिए है (अर्थात, जब $\Delta T$ तथा $\Delta L$ छोटे हैं), लेकिन अगर हम $\Delta T$ के बड़े मानों का उपयोग करके आयतनमितीय और रैखिक गुणांक के बीच आगे और पीछे जाने की कोशिश कर रहे हैं, तो यह पकड़ में नहीं आता है। इस मामले में, तीसरा पद (और कभी-कभी चौथा पद भी) उपरोक्त अभिव्यक्ति को ध्यान में रखा जाना चाहिए।

इसी तरह, क्षेत्र तापीय विस्तार गुणांक रैखिक गुणांक का दो गुना है

$$\alpha _{A}=2\alpha _{L}$$

यह अनुपात एक तरह से ऊपर के रैखिक उदाहरण के समान पाया जा सकता है, यह देखते हुए कि घन पर एक चेहरे का क्षेत्र सिर्फ $L^{2}$ है। साथ ही $\Delta T$, के बड़े मानों के साथ व्यवहार करते समय समान विचार किए जाने चाहिए।

सरल शब्दों में कहें तो, यदि एक घन ठोस की लंबाई 1.00 मीटर से 1.01 मीटर तक फैलती है, तो इसकी एक भुजा का क्षेत्रफल 1.00 m2 से 1.02 m2 तक फैल जाता है और इसका आयतन 1.00 m3 से 1.03 m3 तक फैल जाता है।

अनिसोट्रोपिक पदार्थ

अनिसोट्रोपिक संरचनाओं वाली पदार्थ, जैसे कि क्रिस्टल (घन समरूपता से कम, उदाहरण के लिए मार्टेंसिटिक चरण) और कई कंपोजिट, में सामान्यतः अलग-अलग दिशाओं में अलग-अलग रैखिक विस्तार गुणांक $\alpha _{L}$ होंगे। नतीजतन, कुल आयतनमितीय विस्तार तीन अक्षों के बीच असमान रूप से वितरित किया जाता है। यदि क्रिस्टल समरूपता मोनोक्लिनिक या ट्राइक्लिनिक है, तो इन अक्षों के बीच के कोण भी ऊष्मीय परिवर्तन के अधीन हैं। ऐसे मामलों में, तापीय विस्तार के गुणांक को छह स्वतंत्र तत्वों के साथ एक टेंसर के रूप में माना जाना चाहिए। टेंसर के तत्वों को निर्धारित करने का एक अच्छा तरीका एक्स-रे पाउडर विवर्तन द्वारा विस्तार का अध्ययन करना है। घन समरूपता (जैसे एफसीसी, बीसीसी) वाले पदार्थ के लिए तापीय विस्तार गुणांक टेंसर आइसोट्रोपिक है।

तापमान निर्भरता

ठोसों के ऊष्मीय प्रसार गुणांक सामान्यतः तापमान पर बहुत कम निर्भरता दिखाते हैं (बहुत कम तापमान को छोड़कर) जबकि तरल पदार्थ अलग-अलग तापमान पर अलग-अलग दरों पर विस्तार कर सकते हैं। हालांकि, कुछ ज्ञात अपवाद हैं उदाहरण के लिए, क्यूबिक बोरॉन नाइट्राइड तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला पर अपने तापीय विस्तार गुणांक की महत्वपूर्ण भिन्नता प्रदर्शित करता है।

आदर्श गैसों में आइसोबैरिक विस्तार

चूंकि गैसें उस कंटेनर की संपूर्णता को भरती हैं, जिस पर वे कब्जा कर लेते हैं, निरंतर दबाव में वॉल्यूमेट्रिक थर्मल विस्तार गुणांक, $\alpha _{V}$, केवल ब्याज का एक है।

एक आदर्श गैस के लिए, आदर्श गैस कानून के भेदभाव द्वारा एक सूत्र आसानी से प्राप्त किया जा सकता है, $pV_{m}=RT$।यह प्रदान करता है

$$p\mathrm {d} V_{m}+V_{m}\mathrm {d} p=R\mathrm {d} T$$

कहाँ पे $p$ दबाव है, $V_{m}$ दाढ़ की मात्रा है ($V_{m}=V/n$, साथ $n$ गैस के मोल्स की कुल संख्या), $T$ पूर्ण तापमान है और $R$ गैस स्थिरांक के बराबर है।

एक आइसोबैरिक थर्मल विस्तार के लिए हमारे पास है $\mathrm {d} p=0$, ताकि $p\mathrm {d} V_{m}=R\mathrm {d} T$ और आइसोबैरिक थर्मल विस्तार गुणांक है:

$$\alpha _{V}\equiv {\frac {1}{V}}\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)_{p}={\frac {1}{V_{m}}}\left({\frac {\partial V_{m}}{\partial T}}\right)_{p}={\frac {1}{V_{m}}}\left({\frac {R}{p}}\right)={\frac {R}{pV_{m}}}={\frac {1}{T}}$$

जो तापमान का एक मजबूत कार्य है;तापमान को दोगुना करने से थर्मल विस्तार गुणांक आधा हो जाएगा।

निरपेक्ष शून्य की गणना

See also: Kelvin § Lord Kelvin

File:Lord Kelvin photograph.jpg

लॉर्ड केल्विन, माप की इकाई का नाम

अक्टूबर 1848 में, ग्लासगो विश्वविद्यालय में प्राकृतिक दर्शन के 24 वर्षीय प्रोफेसर विलियम थॉमसन ने एक पूर्ण थर्मोमेट्रिक पैमाने पर एक पेपर प्रकाशित किया। एक फुटनोट में थॉमसन ने गणना की कि अनंत ठंड (निरपेक्ष शून्य) −273 & nbsp; ° C के बराबर थी (उन्होंने समय के वायु थर्मामीटर के तापमान के रूप में ° C में तापमान को बुलाया)।.273 के इस मान को वह तापमान माना जाता था जिस पर आदर्श गैस की मात्रा शून्य तक पहुंचती है।तापमान के साथ एक थर्मल विस्तार रैखिक पर विचार करके (यानी थर्मल विस्तार का एक निरंतर गुणांक), पूर्ण शून्य का मान रैखिक रूप से 0.366/100 डिग्री सेल्सियस के नकारात्मक पारस्परिक के रूप में एक्सट्रपलेशन किया गया था - एक आदर्श गैस के थर्मल विस्तार के स्वीकृत औसत गुणांक में एक आदर्श गैस में एक आदर्श गैस का गुणांक।तापमान अंतराल 0 ° C -100 ° C, -273.15 ° C के वर्तमान में स्वीकृत मूल्य के लिए एक उल्लेखनीय स्थिरता प्रदान करता है।

तरल पदार्थों में विस्तार

तरल पदार्थों का थर्मल विस्तार आमतौर पर ठोस पदार्थों की तुलना में अधिक होता है क्योंकि तरल पदार्थों में मौजूद इंटरमॉलिक्युलर बल अपेक्षाकृत कमजोर होते हैं और इसके घटक अणु अधिक मोबाइल होते हैं। ठोस पदार्थों के विपरीत, तरल पदार्थों का कोई निश्चित आकार नहीं होता है और वे कंटेनर का आकार लेते हैं।नतीजतन, तरल पदार्थों की कोई निश्चित लंबाई और क्षेत्र नहीं है, इसलिए तरल पदार्थों के रैखिक और क्षेत्रीय विस्तार का केवल महत्व है कि वे वैश्विक जलवायु परिवर्तन के कारण थर्मोमेट्री और समुद्र के स्तर के अनुमानों जैसे विषयों पर लागू हो सकते हैं। हालांकि, α_Lकभी -कभी अभी भी α के प्रयोगात्मक मूल्य से गणना की जाती है_V।

सामान्य तौर पर, हीटिंग पर तरल पदार्थ का विस्तार होता है।हालांकि पानी इस सामान्य व्यवहार का एक अपवाद है: 4 & nbsp से नीचे; ° C यह हीटिंग पर अनुबंध करता है, जिससे एक नकारात्मक थर्मल विस्तार गुणांक होता है।उच्च तापमान पर पानी अधिक विशिष्ट व्यवहार दिखाता है, एक सकारात्मक थर्मल विस्तार गुणांक के साथ।

एक तरल का स्पष्ट और पूर्ण विस्तार

तरल पदार्थों के विस्तार को आमतौर पर एक कंटेनर में मापा जाता है।जब एक तरल एक बर्तन में फैलता है, तो पोत तरल के साथ -साथ फैलता है।इसलिए मात्रा में देखी गई वृद्धि (जैसा कि तरल स्तर द्वारा मापा जाता है) इसकी मात्रा में वास्तविक वृद्धि नहीं है।कंटेनर के सापेक्ष तरल के विस्तार को इसका स्पष्ट विस्तार कहा जाता है, जबकि तरल के वास्तविक विस्तार को वास्तविक विस्तार या पूर्ण विस्तार कहा जाता है।मूल मात्रा में तापमान के प्रति यूनिट वृद्धि के तरल की मात्रा में स्पष्ट वृद्धि का अनुपात स्पष्ट विस्तार का इसका गुणांक कहा जाता है।पूर्ण विस्तार को विभिन्न प्रकार की तकनीकों द्वारा मापा जा सकता है, जिसमें अल्ट्रासोनिक विधियाँ शामिल हैं। ऐतिहासिक रूप से, यह घटना तरल पदार्थों के थर्मल विस्तार गुणांक के प्रयोगात्मक निर्धारण को जटिल करती है, क्योंकि थर्मल विस्तार द्वारा उत्पन्न तरल स्तंभ की ऊंचाई में परिवर्तन का एक सीधा माप तरल के स्पष्ट विस्तार का एक माप है। इस प्रकार प्रयोग एक साथ एक तरल के विस्तार के विस्तार और माप के दो गुणांक को मापता है, साथ ही कंटेनर के विस्तार के लिए भी ध्यान देना चाहिए। जैसे फ्लास्क, तरल और हीट बाथ की पूरी प्रणाली के माध्यम से गर्म नहीं हो जाता है। तरल स्तंभ की ऊंचाई में प्रारंभिक गिरावट तरल के प्रारंभिक संकुचन के कारण नहीं है, बल्कि फ्लास्क के विस्तार के लिए है क्योंकि यह पहले हीट बाथ से संपर्क करता है। इसके तुरंत बाद, फ्लास्क में तरल को फ्लास्क द्वारा ही गर्म किया जाता है और विस्तार करना शुरू हो जाता है। चूंकि तरल पदार्थों में आम तौर पर समान तापमान परिवर्तन के लिए ठोस पदार्थों की तुलना में अधिक प्रतिशत विस्तार होता है, इसलिए फ्लास्क में तरल का विस्तार अंततः फ्लास्क से अधिक हो जाता है, जिससे फ्लास्क में तरल का स्तर बढ़ जाता है। तापमान में छोटे और समान वृद्धि के लिए, एक तरल की मात्रा (वास्तविक विस्तार) में वृद्धि तरल की मात्रा (स्पष्ट विस्तार) में स्पष्ट वृद्धि और युक्त पोत की मात्रा में वृद्धि के बराबर है। तरल का पूर्ण विस्तार युक्त पोत के विस्तार के लिए सही विस्तारित विस्तार है।

उदाहरण और अनुप्रयोग

For applications using the thermal expansion property, see bimetallic strip, mercury-in-glass thermometer, and Tyndall's bar breaker.

File:Rail buckle.jpg

रेल पटरियों के लंबे निरंतर वर्गों का थर्मल विस्तार रेल बकलिंग के लिए ड्राइविंग बल है।इस घटना के परिणामस्वरूप अकेले अमेरिका में 1998-2002 के दौरान 190 ट्रेन के पटरी से उतरे।

बड़ी संरचनाओं को डिजाइन करते समय सामग्रियों के विस्तार और संकुचन पर विचार किया जाना चाहिए, जब भूमि सर्वेक्षणों के लिए दूरी को मापने के लिए टेप या श्रृंखला का उपयोग करते हुए, गर्म सामग्री के लिए मोल्ड्स डिजाइन करते समय, और अन्य इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में जब तापमान के कारण आयाम में बड़े बदलाव की उम्मीद की जाती है ।

थर्मल विस्तार का उपयोग यांत्रिक अनुप्रयोगों में भी एक दूसरे पर भागों को फिट करने के लिए किया जाता है, उदा। एक झाड़ी को शाफ्ट के व्यास से थोड़ा छोटा बनाकर एक शाफ्ट पर फिट किया जा सकता है, फिर इसे तब तक गर्म किया जा सकता है जब तक कि यह शाफ्ट पर फिट न हो जाए, और इसे ठंडा होने के बाद शाफ्ट पर धकेलने की अनुमति दे, इस प्रकार एक 'को प्राप्त करने के लिए' श्रिंक फ़िट'। इंडक्शन श्रिंक फिटिंग 150 & nbsp; ° C और 300 & nbsp; ° C के बीच पूर्व-गर्मी धातु घटकों के लिए एक सामान्य औद्योगिक विधि है, जिससे वे किसी अन्य घटक के सम्मिलन या हटाने के लिए विस्तार और अनुमति देते हैं।

एक बहुत छोटे रैखिक विस्तार गुणांक के साथ कुछ मिश्र धातुएं मौजूद हैं, जिनका उपयोग उन अनुप्रयोगों में किया जाता है जो तापमान की एक सीमा पर भौतिक आयाम में बहुत छोटे बदलाव की मांग करते हैं। इनमें से एक Invar 36 है, जिसमें विस्तार लगभग 0.6 के बराबर है×10⁻⁶ K⁻¹ ।ये मिश्र धातु एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में उपयोगी होते हैं जहां व्यापक तापमान झूल हो सकते हैं।

पुलिंगर के उपकरण का उपयोग प्रयोगशाला में एक धातु की छड़ के रैखिक विस्तार को निर्धारित करने के लिए किया जाता है। उपकरण में दोनों सिरों पर बंद एक धातु सिलेंडर होता है (जिसे स्टीम जैकेट कहा जाता है)। यह भाप के लिए एक इनलेट और आउटलेट के साथ प्रदान किया जाता है। रॉड को गर्म करने के लिए भाप एक बॉयलर द्वारा आपूर्ति की जाती है जो एक रबर ट्यूब द्वारा इनलेट से जुड़ा होता है। सिलेंडर के केंद्र में थर्मामीटर डालने के लिए एक छेद होता है। जांच के तहत रॉड एक स्टीम जैकेट में संलग्न है। इसके सिरों में से एक मुफ्त है, लेकिन दूसरे छोर को एक निश्चित पेंच के खिलाफ दबाया जाता है। रॉड की स्थिति माइक्रोमीटर स्क्रू गेज या गोलाकार द्वारा निर्धारित की जाती है।

एक धातु के रैखिक थर्मल विस्तार के गुणांक को निर्धारित करने के लिए, उस धातु से बना एक पाइप को इसके माध्यम से भाप से गुजरने से गर्म किया जाता है। पाइप का एक छोर सुरक्षित रूप से तय किया जाता है और दूसरा एक घूर्णन शाफ्ट पर टिकी हुई है, जिसकी गति एक सूचक द्वारा इंगित की जाती है। एक उपयुक्त थर्मामीटर पाइप के तापमान को रिकॉर्ड करता है। यह प्रति डिग्री तापमान परिवर्तन की लंबाई में सापेक्ष परिवर्तन की गणना को सक्षम करता है।

File:Drikkeglas med brud-1.JPG

अन्यथा ठंडा ग्लास में गर्म तरल डालने के बाद असमान थर्मल विस्तार के कारण फ्रैक्चर के साथ कांच पीना

भंगुर सामग्री में थर्मल विस्तार का नियंत्रण कई कारणों से एक महत्वपूर्ण चिंता है। उदाहरण के लिए, कांच और सिरेमिक दोनों भंगुर होते हैं और असमान तापमान असमान विस्तार का कारण बनता है जो फिर से थर्मल तनाव का कारण बनता है और इससे फ्रैक्चर हो सकता है। मिट्टी के पात्र को सामग्री की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ संगीत कार्यक्रम में शामिल करने या काम करने की आवश्यकता है और इसलिए उनके विस्तार को आवेदन से मिलान किया जाना चाहिए। क्योंकि ग्लेज़ को अंतर्निहित चीनी मिट्टी के बरतन (या अन्य शरीर के प्रकार) से मजबूती से संलग्न करने की आवश्यकता होती है, उनके थर्मल विस्तार को शरीर को 'फिट' करने के लिए ट्यून किया जाना चाहिए ताकि क्रेज़िंग या कंपकंपी न हो। उन उत्पादों का अच्छा उदाहरण जिनका थर्मल विस्तार उनकी सफलता की कुंजी है, कॉर्निंगवेयर और स्पार्क प्लग हैं। सिरेमिक निकायों के थर्मल विस्तार को क्रिस्टलीय प्रजातियों को बनाने के लिए फायरिंग द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है जो वांछित दिशा में सामग्री के समग्र विस्तार को प्रभावित करेगा। इसके अलावा या इसके बजाय शरीर का निर्माण मैट्रिक्स में वांछित विस्तार के कणों को वितरित करने वाली सामग्रियों को नियोजित कर सकता है। ग्लेज़ के थर्मल विस्तार को उनकी रासायनिक संरचना और फायरिंग शेड्यूल द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जिसके अधीन थे। ज्यादातर मामलों में शरीर और शीशे का आवरण विस्तार को नियंत्रित करने में शामिल जटिल मुद्दे होते हैं, ताकि थर्मल विस्तार के लिए समायोजन को अन्य गुणों के लिए एक आंख के साथ किया जाना चाहिए जो प्रभावित होंगे, और आम तौर पर व्यापार-बंद आवश्यक हैं।

ऊपर-जमीन भंडारण टैंकों में संग्रहीत गैसोलीन पर एक ध्यान देने योग्य प्रभाव हो सकता है, जो गैसोलीन पंपों को गैसोलीन को दूर करने के लिए हो सकता है जो सर्दियों में भूमिगत भंडारण टैंक में आयोजित गैसोलीन की तुलना में अधिक संकुचित हो सकता है, या भूमिगत भंडारण टैंकों में आयोजित गैसोलीन की तुलना में कम संकुचित हो सकता है गर्मी के मौसम में।

File:2015 Kłodzko, ul. Objazdowa, rurociąg ciepłowniczy 03.JPG

हीटिंग पाइपलाइन पर विस्तार पाश

इंजीनियरिंग के अधिकांश क्षेत्रों में हीट-प्रेरित विस्तार को ध्यान में रखा जाना चाहिए।कुछ उदाहरण हैं:

• धातु-फ़्रेम वाली खिड़कियों को रबर स्पेसर्स की आवश्यकता होती है।
• रबर के टायर को तापमान की एक सीमा पर अच्छा प्रदर्शन करने की आवश्यकता होती है, सड़क की सतहों और मौसम द्वारा निष्क्रिय रूप से गर्म या ठंडा किया जाता है, और यांत्रिक फ्लेक्सिंग और घर्षण द्वारा सक्रिय रूप से गर्म किया जाता है।
• धातु के गर्म पानी के हीटिंग पाइप का उपयोग लंबी सीधी लंबाई में नहीं किया जाना चाहिए।
• रेलवे और पुल जैसी बड़ी संरचनाओं को सन किंक से बचने के लिए संरचनाओं में विस्तार जोड़ों की आवश्यकता होती है।
• एक ग्रिडिरोन पेंडुलम एक अधिक तापमान स्थिर पेंडुलम लंबाई बनाए रखने के लिए विभिन्न धातुओं की व्यवस्था का उपयोग करता है।
• एक गर्म दिन पर एक बिजली लाइन ड्रॉपी है, लेकिन एक ठंड के दिन यह तंग है।ऐसा इसलिए है क्योंकि धातुएं गर्मी के तहत विस्तार करती हैं।
• विस्तार जोड़ों एक पाइपिंग प्रणाली में थर्मल विस्तार को अवशोषित करते हैं। *प्रिसिजन इंजीनियरिंग लगभग हमेशा इंजीनियर को उत्पाद के थर्मल विस्तार पर ध्यान देने की आवश्यकता होती है।उदाहरण के लिए, जब एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग करके तापमान में छोटे परिवर्तन जैसे कि 1 डिग्री फोकस बिंदु के सापेक्ष अपनी स्थिति को बदलने के लिए एक नमूना पैदा कर सकता है।
• तरल थर्मामीटर में एक ट्यूब में एक तरल (आमतौर पर पारा या अल्कोहल) होता है, जो इसे केवल एक दिशा में प्रवाहित करने के लिए बाध्य करता है जब तापमान में परिवर्तन के कारण इसकी मात्रा फैलता है।
• एक द्वि-धातु यांत्रिक थर्मामीटर एक द्विध्रुवीय पट्टी का उपयोग करता है और दो धातुओं के अलग-अलग थर्मल विस्तार के कारण झुकता है।

विभिन्न सामग्रियों के लिए थर्मल विस्तार गुणांक

Main article: Thermal expansion coefficients of the elements (data page)

File:Coefficient dilatation volumique isobare PP semicristallin Tait.svg

एक अर्धविराम पॉलीप्रोपाइलीन के लिए वॉल्यूमेट्रिक थर्मल विस्तार गुणांक।

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कुछ स्टील ग्रेड के लिए रैखिक थर्मल विस्तार गुणांक।

यह खंड कुछ सामान्य सामग्रियों के लिए गुणांक को सारांशित करता है।

आइसोट्रोपिक सामग्री के लिए गुणांक रैखिक थर्मल विस्तार α और वॉल्यूमेट्रिक थर्मल विस्तार α_Vद्वारा संबंधित हैं α_V = 3α। तरल पदार्थों के लिए आमतौर पर वॉल्यूमेट्रिक विस्तार का गुणांक सूचीबद्ध होता है और तुलना के लिए यहां रैखिक विस्तार की गणना की जाती है।

कई धातुओं और यौगिकों जैसे सामान्य सामग्रियों के लिए, थर्मल विस्तार गुणांक पिघलने बिंदु के विपरीत आनुपातिक है। विशेष रूप से, धातुओं के लिए संबंध है:

$$\alpha \approx {\frac {0.020}{T_{m}}}$$

हलाइड्स और ऑक्साइड के लिए

$$\alpha \approx {\frac {0.038}{T_{m}}}-7.0\cdot 10^{-6}\,\mathrm {K} ^{-1}$$

नीचे दी गई तालिका में, α के लिए सीमा 10 से है^{−7 </d> k−1 हार्ड सॉलिड्स के लिए 10 तक−3 </d> kकार्बनिक तरल पदार्थों के लिए −1 ।गुणांक α तापमान के साथ भिन्न होता है और कुछ सामग्रियों में बहुत अधिक भिन्नता होती है;उदाहरण के लिए, अलग -अलग दबाव में एक अर्धविराम पॉलीप्रोपाइलीन (पीपी) के लिए वॉल्यूमेट्रिक गुणांक की भिन्नता बनाम तापमान देखें, और कुछ स्टील ग्रेड के लिए रैखिक गुणांक बनाम तापमान की भिन्नता (नीचे से ऊपर तक: फेरिटिक स्टेनलेस स्टील, मार्टेनसिटिक स्टील, कार्बन स्टील, डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील, ऑस्टेनिटिक स्टील)।एक ठोस में उच्चतम रैखिक गुणांक एक टीआई-एनबी मिश्र धातु के लिए सूचित किया गया है। (सूत्र α_V ≈ 3α आमतौर पर ठोस के लिए उपयोग किया जाता है।)}

Material	Material type	Linear coefficient CLTE α at 20 °C (x10−6 K−1)	Volumetric coefficient αV at 20 °C (x10−6 K−1)	Notes
Aluminium	Metal	23.1	69
Brass	Metal alloy	19	57
Carbon steel	Metal alloy	10.8	32.4
CFRP		–0.8	Anisotropic	Fiber direction
Concrete	Aggregate	12	36
Copper	Metal	17	51
Diamond	Nonmetal	1	3
Ethanol	Liquid	250	750
Gasoline	Liquid	317	950
Glass	Glass	8.5	25.5
Borosilicate glass	Glass	3.3	9.9	matched sealing partner for tungsten, molybdenum and kovar.
Glycerine	Liquid		485
Gold	Metal	14	42
Granite	Rock	35-43	105-129
Ice	Nonmetal	51
Invar		1.2	3.6
Iron	Metal	11.8	35.4
Kapton		20	60	DuPont Kapton 200EN
Lead	Metal	29	87
Macor		9.3
Nickel	Metal	13	39
Oak	Biological	54		Perpendicular to the grain
Douglas-fir	Biological	27	75	radial
Douglas-fir	Biological	45	75	tangential
Douglas-fir	Biological	3.5	75	parallel to grain
Platinum	Metal	9	27
Polypropylene (PP)	Polymer	150	450
PVC	Polymer	52	156
Fused quartz	Nonmetal	0.59	1.77
alpha-Quartz	Nonmetal	12-16/6-9		Parallel to a-axis/c-axis T = –50 to 150 C
Rubber	Biological	disputed	disputed	see Talk
Rocksalt	Rock	40	120
Sapphire	Nonmetal	5.3		Parallel to C axis, or [001]
Silicon Carbide	Nonmetal	2.77	8.31
Silicon	Nonmetal	2.56	9
Silver	Metal	18	54
"Sitall"	Glass-ceramic	0±0.15	0±0.45	average for −60 °C to 60 °C
Stainless steel	Metal alloy	10.1 ~ 17.3	30.3 ~ 51.9
Steel	Metal alloy	11.0 ~ 13.0	33.0 ~ 39.0	Depends on composition
Titanium	Metal	8.6	26
Tungsten	Metal	4.5	13.5
Water	Nonmetal	69	207
"Zerodur"	Glass-ceramic	≈0.007-0.1		from 0 °C to 50 °C
ALLVAR Alloy 30	Metal alloy	−30	anisotropic	exhibits negative thermal expansion in broad range of temperatures

यह भी देखें

• Negative thermal expansion
• Mie–Grüneisen equation of state
• Autovent
• Grüneisen parameter
• Apparent molar property
• Heat capacity
• Thermodynamic databases for pure substances
• Material properties (thermodynamics)
• Charles's law

बाहरी संबंध

• Glass Thermal Expansion Thermal expansion measurement, definitions, thermal expansion calculation from the glass composition
• Water thermal expansion calculator
• DoITPoMS Teaching and Learning Package on Thermal Expansion and the Bi-material Strip
• Engineering Toolbox – List of coefficients of Linear Expansion for some common materials
• Article on how α_V is determined
• MatWeb: Free database of engineering properties for over 79,000 materials
• USA NIST Website – Temperature and Dimensional Measurement workshop
• Hyperphysics: Thermal expansion
• Understanding Thermal Expansion in Ceramic Glazes
• Thermal Expansion Calculators
• Thermal expansion via density calculator