Lämpölaajeneminen ja sen käyttäminen

Uuuughhh! Lina! Auta minua avaamaan tämä purkki! Korkki on jumissa! Miten saamme sen auki?

Kokeile tätä! Kaada kulhoon kuumaa vettä. Laita purkki ylösalaisin kulhoon, siten että korkki on veden alla. Anna sen olla pari minuuttia. Ota purkki pois vedestä ja kokeile aukaista se.

Oho, vau, se oli helppoa! Miten tämä tapahtui? Purkki ja sen kansi, kuten kaikki aineet, koostuvat hiukkasista jotka liikkuvat. Lämpötila vaikuttaa hiukkasten liikkeeseen. Kun aine tai esine kuumenee, hiukkaset liikkuvat nopeammin ja kauemmas toisistaan.

Silloin materiaali laajenee. Tätä aineiden ominaisuutta kutsutaan lämpölaajenemiseksi. Kun materiaali kylmenee, tapahtuu päinvastainen. Hiukkasten liike hidastuu, ja ne ovat tiiviimmin yhdessä. Aineen tai materiaalin tilavuus pienenee; se supistuu.

Se on lämpösupistumista. Laajenemisen tai supistumisen määrä riippuu siitä, paljonko lämpötila muuttuu, paljonko materiaalia on, ja millaiset sen ominaisuudet ovat. Laajenemisen määrä riippuu materiaalista. Kun kuuma vesi kuumentaa purkin metallikantta, sen tilavuus muuttuu ja halkaisija kasvaa. Lasinen purkki ei laajene niin paljoa, jolloin kannen ja seinämien välille tulee tarpeeksi eroa, ja kansi voidaan aukaista.

Materiaalien erilaiset laajenemismäärät — lämpölaajenemiskertoimet — ovat erittäin tärkeitä kun tehdään rakennuksia, siltoja, tai muita suuria rakenteita. Monesti ne tehdään betonista, jotka on vahvistettu terästangoilla. Terästangot laajenevat ja supistuvat suunnilleen saman verran kuin betoni. Muuten betoni halkeilisi ja murenisi. Rautatiet kokevat suuria lämpötilanvaihteluita.

Jos kiskot hitsataan yhteen, niillä ei ole tilaa laajentua lämpötilan noustessa. Kiskot voivat vääntyä ja nurjahtaa, jolloin juna voi suistua raiteilta! Se voidaan välttää käyttämällä lyhyitä palasia ja jättämällä niiden väliin rakoja. Tämä sen takia, että laajeneminen on suhteessa materiaalin määrään - lyhyet kiskonpätkät laajenevat vähemmän kuin pitkät. Pätkien väliset raot mahdollistavat laajenemisen ilman vääntymistä.

Lämpölaajenemisesta voidaan mitata lämpötilaa. Perinteisissä lämpömittareissa käytetään nestettä lasin sisällä. Niissä on putki jossa on nestettä, kuten alkoholia. Mittarin asteikko vastaa putken sisällä olevan nesteen laajenemista, riippuen lämpötilan muutoksesta. Toisenlaisessa lämpömittarissa on nauha joka on tehty kahdesta eri metallista, jotka on liitetty yhteen - kaksoismetalliliuska.

Siinä olevat metallit laajenevat ja supistuvat eri tahtiin kylmetessään ja kuumetessaan. Silloin kaksoismetalliliuska taipuu. Näitä nauhoja käytetään usein termostaateissa jotka määräävät lämpötilan. Lämpölaajeneminen vaikuttaa kaasuihinkin! Ajatellaan esimerkiksi auton renkaita.

Renkaissa on yleensä suositukset joissa kerrotaan paljonko niiden ilmanpaine tulisi olla. Miksi? Kun auto liikkuu nopeasti, ilma renkaissa laajenee. Jos renkaassa on liikaa ilmaa, se voi räjähtää! Useimmat tavalliset materiaalit altistuvat lämpötilojen vaihteluille, joten ne laajentuvat ja supistuvat jatkuvasti.

Tieto lämpölaajenemisesta auttaa suunnittelijoita, insinöörejä ja tuotantotyöntekijöitä luomaan parempia tuotteita. Ja se voi olla hyödyllistä seuraavalla kerralla kun et saa purkkia auki!