Molti materiali, in particolare i metalli, si espandono fisicamente quando vengono riscaldati, a causa dell’aumento dell’energia cinetica degli atomi. Questa espansione si sposta verso l’esterno in tutte e tre le dimensioni, sebbene non necessariamente nella stessa misura. Il coefficiente di espansione lineare è il valore che correla la differenza di lunghezza di un oggetto alla differenza di temperatura dell’oggetto quando sono state effettuate le due misurazioni di lunghezza. Un valore maggiore significa che il materiale si espande di più durante un aumento di temperatura impostato rispetto a un materiale con un coefficiente inferiore.
A rigor di termini, anche il coefficiente di espansione lineare è una funzione della temperatura, ma per la maggior parte dei materiali può essere considerato una costante nell’intervallo da 32° a 212°C (0°-100°F). Anche i liquidi si espandono e l’equivalente tridimensionale, il coefficiente di espansione cuboidale a una data temperatura, viene utilizzato nei calcoli delle variazioni di volume. I gas si espandono per riempire qualsiasi contenitore in cui vengono inseriti. Poiché il loro volume è fisso, i gas aumentano di pressione all’aumentare della temperatura.
Le tabelle di questi valori sono disponibili nei manuali di ingegneria. I valori sono dati in unità di 10,000a’ o in 10-6 m/m K o in 10-6in/in °F. Il simbolo a’ è utilizzato nel sistema di misurazione standard americano. La valutazione di un esempio aiuterà a chiarire queste unità.
Questo valore è espresso in unità di lunghezza. Il coefficiente di espansione lineare per il filo di ottone è elencato a 18.7 x 10-6 m/m K e 10.4 x 10-6 pollici/in °F. Il calcolo per l’espansione in lunghezza di un filo di ottone lungo 10 piedi (3.048 m) a 70°F (21.1°C) e riscaldato a 80°F (26.6°C) è:
10 piedi sono 120 pollici. Il filo di ottone si espanderà di 10.4 x 10-6 pollici per pollice di lunghezza iniziale per grado Fahrenheit di aumento della temperatura. 120 + (10.4 x 10-6) x 120 x 10 = 120.0125 pollici.
In unità metriche, il calcolo è 3.048 m + (18.7 x 10-6) x 3.048 x 10×5/9 = 3.048316 m, che equivale a 120.0124 pollici. Il 5/9 nell’equazione converte un grado Fahrenheit in un grado Celsius.
Questa differenza di lunghezza può sembrare banale, ma quando si progettano elementi come cavi di alimentazione lunghi centinaia di miglia o chilometri e che subiranno differenze di temperatura di 150° o più, tuttavia, è necessario prendere in considerazione l’espansione termica. Anche le parti con tolleranze molto strette, come nei dispositivi ottici, devono essere protette dalle variazioni di temperatura o assecondare l’espansione non uniforme di parti realizzate con materiali diversi.