熱膨脹計算器

熱膨脹是物質在溫度變化下改變尺寸的傾向。物質受熱時，粒子振動更劇烈，需要更多空間，因此材料會膨脹。相反地，冷卻會使粒子運動減弱，進而產生收縮。這個現象存在於固體、液體與氣體中，但在不同物態中的幅度與行為差異很大。 對固體而言，熱膨脹通常以線膨脹係數（α）描述，單位為 1/°C 或 1/K。線膨脹的基本公式為 ΔL = α × L₀ × ΔT，其中 ΔL 為長度變化，L₀ 為原始長度，ΔT 為溫度變化。面積膨脹使用公式 ΔA = 2α × A₀ × ΔT，體積膨脹使用 ΔV = 3α × V₀ × ΔT。係數中的 2 與 3 分別來自二維與三維膨脹，前提是材料為各向同性（各方向膨脹相同）。 不同材料的膨脹係數差異極大。鋁（23.1 × 10⁻⁶/°C）在相同溫變下的膨脹量大約是鋼（11.7 × 10⁻⁶/°C）的兩倍。工程化零膨脹玻璃陶瓷（如 Zerodur，α ≈ 0.05 × 10⁻⁶/°C）用於望遠鏡鏡面與精密儀器。Invar 是一種鎳鐵合金，具有極低的膨脹係數（1.2 × 10⁻⁶/°C），用於大地測量標準與地震儀器。 在土木與結構工程中，熱膨脹是關鍵設計因素。鐵軌會在夏季膨脹，必須設置伸縮縫以防止彎曲失穩。長橋梁通常每 50–100 公尺設置伸縮縫，以容納全年溫度循環中可達數公分的熱位移。混凝土結構也需要控制縫，因為混凝土的膨脹係數接近鋼筋的膨脹係數——這是一種幸運的巧合，使鋼筋混凝土在溫度範圍內保持結構穩定。 在機械與電子工程中，不同材料之間的熱膨脹不匹配會導致失效。印刷電路板在焊料合金、銅走線與環氧基板熱循環過程中，會因膨脹率不同而發生分層。引擎零件必須依熱膨脹設計精確間隙，以考慮升溫與運轉時的尺寸變化。精密儀器與光學系統則採用溫度補償設計或膨脹係數匹配的材料，以在工作溫度範圍內維持精度。