什麼是熱膨脹?
大多數固體材料受熱會膨脹,遇冷則收縮。線性熱膨脹描述的是金屬棒、鐵軌、管線或橋梁等一維物體,隨著溫度改變而產生的長度變化。本計算器可根據物體的原始長度、線膨脹係數以及溫度變化,算出長度變化量(\(\Delta L\))與最終長度(\(L\))。
使用方法
輸入原始長度 \(L_0\)(單位:公尺)、材料的線膨脹係數 \(\alpha\)(單位:1/°C),以及起始溫度與最終溫度(單位:°C)。計算器會先求出溫度變化 \(\Delta T = T_2 - T_1\),再算出長度變化量與最終長度。常見的 \(\alpha\) 值參考:鋼約 0.000012、鋁約 0.000023、銅約 0.000017、玻璃約 0.000009(每 °C)。
公式解析
核心公式為 $$\Delta L = \alpha \cdot L_0 \cdot \Delta T$$ 其中 \(\alpha\) 代表每升高一度時的長度變化比例,\(L_0\) 是起始長度,\(\Delta T\) 則是溫度變化量。最終長度的算法很簡單:$$L = L_0 + \Delta L = L_0(1 + \alpha \cdot \Delta T)$$ 若 \(\Delta T\) 為負值(代表降溫),則 \(\Delta L\) 也會是負值,表示物體正在收縮。
實例演算
一段長 10 公尺的鋼軌(\(\alpha = 0.000012\) /°C),溫度由 20 °C 升至 45 °C。\(\Delta T = 25\) °C,$$\Delta L = 0.000012 \times 10 \times 25 = 0.003 \text{ 公尺} = 3 \text{ 公釐}$$ 最終長度為 10.003 公尺。這個看似微小卻真實存在的膨脹量,正是鐵軌與橋梁必須預留伸縮縫的原因。
常見問題
降溫情況也能計算嗎?可以——只要將最終溫度設得比起始溫度低,\(\Delta L\) 就會變成負值(代表收縮)。
應該使用什麼單位?長度以公尺、\(\alpha\) 以 1/°C 為單位時,算出的 \(\Delta L\) 就會是公尺。只要長度單位前後一致,且 \(\alpha\) 與溫度單位相對應,任何長度單位都適用。
這是線膨脹還是體膨脹?本計算器處理的是線性(一維)膨脹。對於等向性材料,面膨脹係數約為 \(2\alpha\),體膨脹係數約為 \(3\alpha\)。