ほとんどすべての物質 (固体、液体、気体) は、加熱すると膨張し、冷却すると収縮します。加熱による物質の膨張は、その物質の熱膨張と呼ばれます。膨張には、線膨張（長さの増加）、表面膨張（面積の増加）、立方膨張（体積の増加）の 3 種類があります。固体は明確な形状を持っているため、固体を加熱すると、すべての方向に膨張します。つまり、加熱すると長さ、面積、体積がすべて増加します。液体と気体は立方体膨張のみを示します。加熱すると、液体は固体よりも膨張し、気体は液体よりも膨張します。このレッスンでは、次のことを学びます。
固体を加熱すると、固体の分子の平均運動エネルギーが増加します。それらは大きな振幅で平均位置を中心に振動し始めます。その結果、分子間の分子間分離が増加するように平均位置が変化し、固体があらゆる方向に膨張します。
実験:金属球と指輪を用意してください。
i) 下図（図 a）のように金属球とリングを配置します。両方が室温にあるとき、金属球はちょうどリングをすり抜けるはずです。
ii) 金属球をバーナーで加熱します (図 b)
iii) リングをもう一度置き、ボールがリングを通過するようにします。ボールが引っかかることに気付くでしょう。
理由: 加熱するとボールが膨張し、直径が大きくなります。
ボールが冷えるのを待ち、もう一度ボールをリングに通そうとすると、ボールがリングを通過することがわかります。これは、冷却するとボールが収縮するためです。
線膨張
加熱により物体の長さが増加するときはいつでも、膨張は線膨張と呼ばれます。金属棒の線膨張を考えてみましょう。加熱による金属棒の長さの増加は、次の 3 つの要因に依存します。
注: 加熱によるロッドの長さの増加は、中空か中実かに依存しません。
固体の表面膨張
金属板を加熱すると、縦も横も伸びます。これにより、プレートの面積が増加します。プレートの面積の増加は、以下に依存します。
立体の立体展開
固体を加熱すると、縦、横、厚さが大きくなり、体積が増えます。実験的に、固体の体積の増加は以下に依存することが観察されています。
| L 0が 0 o C での棒の長さで、t o C での長さが L tの場合、長さの増加は L t - L 0 = L 0 α t として与えられます。 αはロッドの材質に依存する線膨張係数です。単位は℃あたり |
| A 0が 0 o C でのプレートの面積であり、t o C でのその面積が A tである場合、面積の増加は次のように与えられます。 A t - A 0 = A 0 β t β は、固体ごとに異なる表面膨張係数です。 |
| V 0が 0 o C での固体の体積で、t o C での面積が V tである場合、体積の増加は V t - V 0 = V 0 γ t として与えられます。 γは材料によって異なる体積膨張係数です。 |
α、β 、 γ の関係: α：β：γ＝1：2：3 |
いくつかの固体の線膨張係数
| 物質 | 線膨張係数（×10 -6毎℃ ） |
| アルミニウム | 24 |
| 真鍮 | 19 |
| 銅 | 17 |
| 鉄 | 12 |
| インバー | 0.9 |
日常生活における固体の熱膨張
1.線路:線路のレールは鋼製です。木製またはコンクリート製のプラントに線路を敷設する際、下の図に示すように、レールの連続する長さの間に小さな隙間が残ります。その理由は、夏場は気温の上昇により各レールが長くなりがちで、2本のレールの間に隙間ができるとレールが横に曲がってしまうからです。
2.電線・電話線送電線内の電線や2極間の電話線は、冬季は収縮により断線し、夏季は膨張により垂れ下がることがあります。そのため、2本の極の間にワイヤーを張っている間、夏は少し緩めて、冬に収縮で切れないように注意します.そして、冬は敷きながらタイツを履いて、夏は膨張であまりたるまないようにしています。
3.キッチンで使用されるガラス製品:キッチンで使用されるガラス製品は、一般的にパイレックス ガラスで作られています。その理由は、パイレックス ガラスの体積膨張係数が非常に小さいため、加熱してもガラス製品が膨張せず、割れることがありません。
固体と同様に、液体も通常、加熱すると膨張します。加熱すると、液体は固体よりもはるかに膨張します。液体には明確な形はありませんが、明確な体積があるため、液体は立方体の膨張しかありません。
例外:水は 0 o C から 4 o C に加熱すると収縮し、4 o C を超えてさらに加熱すると膨張します。これを水の異常挙動といいます。
実験:瓶を用意し、4 分の 3 の部分に水を入れ、瓶を閉じます。炎の上に置いてください。水が加熱されるにつれて、瓶内の水位が上昇することに気付くでしょう。
注: 瓶に入っている液体を加熱すると、最初に瓶が加熱されて膨張し、液体のレベルが下がります。その後、液体に熱が伝わると膨張し、液面が上昇します。したがって、液体の実際の膨張は、観測された膨張よりも大きくなります。
液体の体積膨張に影響する要因
液体の体積膨張は、次の 3 つの要因に依存します。
V 0が 0 o C での液体の体積で、V t がt o C での液体の体積である場合、液体の体積の増加は次のように与えられます。
V t - V o = V 0 γ t
ここで、γ は液体の体積膨張係数です。
いくつかの液体の体積膨張係数
| 液体 | 体積膨張係数 γ ( x 10 -4 per o C) |
| 水星 | 1.8 |
| 水（15 ℃以上） | 3.7 |
| パラフィン油 | 9.0 |
| アルコール | 11.0 |
日常生活における液体の熱膨張の応用
水銀温度計の動作には、液体の熱膨張が利用されています。水銀温度計は、一方の端が閉じた毛細管と、もう一方の端にある円筒形のバルブで構成されています。電球には水銀が充填されています。水銀は光沢のある液体であるため、キャピラリー チューブ内でそのレベルを簡単に見ることができます。温度計の球が熱い物体に接触し続けると、水銀が膨張します。毛細管内の水銀レベルが上昇します。チューブには温度を読み取る目盛りが付いています。温度が摂氏 1 度上昇するごとに、水銀は同じ体積だけ膨張するため、温度計の校正が容易になります。
気体も加熱すると膨張します。気体は、液体や固体よりもはるかに膨張します。液体と同様に、気体には明確な形がないため、立方体の膨張しかありません。ただし、一定の体積に含まれる気体は膨張できないため、温度が上昇すると圧力が上昇します。
実験:空のボトルを取ります。その首にゴム風船を取り付けます。最初に、バルーンはしぼんでいます。沸騰したお湯を入れたウォーターバスにボトルを入れます。しばらくすると、下の図のようにバルーンが膨らんでいることに気付くでしょう。これは、加熱すると、ボトルに封入された空気が膨張してバルーンを満たし、バルーンが膨らむことを示しています。
気体の熱膨張の日常生活への応用
熱気球:熱気球は、気体と固体の熱膨張差の原理に基づいて動作します。バルーン バッグ内の熱い空気は、コンテナーよりも速くサイズが大きくなるため、バッグが伸びて膨張し、バッグの外側の冷たい (重い) 空気が移動します。袋の内側と外側の空気の密度の差により、風船が膨らみます。袋の中の空気を冷やすことで気球が下降します。
物質を加熱すると、質量は同じままで体積が増加します。したがって、物質の密度 (体積に対する質量の比率) は、温度の上昇とともに減少します。固体の場合、密度の低下は目立ちませんが、液体や気体の場合、温度が上昇すると体積がかなり増加するため、密度の低下が顕著になります。
