Termisk expansion och dess tillämpningar

Uuuuugh! Linaa! Kan du hjälpa mig öppna den här burken? Locket sitter fast! Hur ska vi få upp det?

Ni kan testa det här tricket! Ta en skål med lite hett vatten. Sätt burken uppochned i skålen, så att locket är nedsänkt. Låt den stå där i några minuter. Ta upp burken, och försök öppna den nu. Åh, wow, det var enkelt!

Hur gick det där till? Burken och locket består, precis som alla ämnen, av partiklar som rör sig. Den här rörelsen påverkas av temperaturen. När ett ämne värms upp, börjar partiklarna röra sig snabbare, och kommer längre ifrån varandra. Det får materialet att utvidgas.

Den här egenskapen hos ämnen att utvidgas vid upphettning kallas för termisk expansion. När ett ämne svalnar, händer det motsatta. Partiklarna i ämnet saktar ned och kommer närmare varandra. Ämnets volym minskar och det dras samman. Det är termisk kontraktion. Hur mycket ett föremål utvidgas eller dras samman beror på temperaturförändringen, mängden material och vad det består av.

Olika material expanderar olika mycket. I fallet med vår burk, värmer vattnet upp locket av metall så att det utvidgas och blir större. Glaset i burken utvidgas inte lika mycket, så skillnaden i storlek blir tillräcklig för att vrida av locket. Hur mycket ett material utvidgas – utvidgningskoefficienten – är väldigt viktig när man konstruerar byggnader, broar eller andra större konstruktioner. De är ofta gjorda av betong, förstärkta med stålstänger.

Stålstängerna behöver utvidgas och dras ihop ungefär lika mycket som betongen. Annars kan betongen spricka och till slut falla sönder. Tågräls utsätts ofta för stora temperaturförändringar. Om rälsen är sammansvetsad utan något utrymme mellan delarna, finns det inget utrymme för dem att expandera när temperaturen stiger. Rälsen kan böjas och deformeras, och det kan få tågen att spåra ur!

Ett sätt att undvika att rälsen böjs är att använda kortare rälsbitar och lämna små tomrum mellan dem. Eftersom utvidgningen är proportionerlig mot mängden material kommer kortare bitar av räls expandera mindre än längre bitar. Tomrummen mellan bitarna gör att de kan expandera utan risk att deformeras. Termisk expansion kan användas för att visa temperatur. Oftast används det i traditionella vätsketermometrar av glas.

De har ett kapillärrör som innehåller en vätska, till exempel en alkohol. Skalan på termometern överensstämmer med hur mycket vätskan inuti kapillärröret expanderar av en viss temperaturförändring. En annan typ av termometer innehåller en speciell remsa gjord av två olika typer av metall som är ihopsatta på längden – en bimetallremsa. De här två metallerna expanderar och dras samman olika mycket när de ändrar temperatur. Det får bimetallremsan att böja sig.

Sådana remsor används ofta i apparater som kontrollerar temperaturer – termostater. Gaser expanderar också av värme. Ta till exempel bil- och cykeldäck. Däck har ofta rekommendationer från tillverkaren som säger hur stort tryck de ska hålla. När en bil eller cykel rör sig snabbt, värms luften inuti däcket upp och expanderar.

Om ett däck är överfyllt kan det spricka! De flesta material omkring oss utsätts för temperaturförändringar, så de utvidgas och dras samman hela tiden. Kunskap om termisk expansion gör att designers, ingenjörer och tillverkare kan skapa bättre lösningar och produkter. Och det kan vara praktiskt nästa gång du försöker öppna en burk!