熱膨張係数、熱膨張率、Coefficient of Thermal Expansion
「温度の上昇によって物体の長さ・体積が膨張(熱膨張)する割合を、温度当たりで示したものである。温度の逆数の次元を持ち、単位は毎ケルビン(記号: 1/K、1/℃)である。一般に永久磁石は温度が上昇すると伸びたり、膨らんだりするが、ネオジム磁石はその結晶の原子配列により、磁化方向は伸びて熱膨張係数はプラスになるが、磁化方向に垂直な方向はわずかに縮んで熱膨張係数はマイナスになる。」
物体の長さは温度上昇と元の長さに比例した量で伸び縮みする、すなわち
ΔL = α L ΔT(ΔL: 伸び、L: 長さ、ΔT: 温度上昇)
という関係にあり、温度の上昇に対応して長さが変化する割合を線膨張率(線膨張係数)と言う。また、同様に体積の変化する割合を体積膨張率と言う。線膨張率を α 、体積膨張率を β とすると β ≒ 3α の関係がある。
原子間の結合の強さで決まる物性値なので、材料の融点と相関がある。
ある温度で体積変化を伴う相転移を起こす性質を利用して、使用温度領域で、線膨張が小さくなっている合金(アンバーまたはインバー合金)もある。
なお、熱膨張率の異なる材料を組合せて使う場合や、一様な材料でも急な熱勾配が生じた場合、熱膨張の違いから熱応力が生じる。この熱応力により、材料にクラックなどが入って壊れることがあり、様々なものの故障原因のひとつとなっている。
プルトニウムやタングステン酸ジルコニウムなどの一部の物質は、温度の上昇により収縮するという負の熱膨張を起こす。身近なところでは、水が0 ℃から3.98 ℃までの範囲で負膨張を起こす。近年では、理化学研究所が2005年に、マンガン窒化物をベースとした負膨張率の高い新素材の開発に成功している。
