基本原理編 「いまさら聞けない」をここで解決!温度・湿度・電気などの基本知識集

物質の膨張・縮小の基本原理

温度変化による物質の膨張・収縮について

気温が変われば大きさも変わる…品質管理・品質検査の大問題

「ものづくり」の業務では、研究開発、製造、検査などのさまざまなシーンにおいて「再現性」※が重要です。
製品そのものや、製造・検査装置を構成する材料が温度によって膨張・収縮することはよく知られていますが、このことは「再現性」に最も重大な影響を及ぼす要素の一つであり、製品の品質や検査結果を左右する可能性があります。
本編では、製品や製造・検査装置の材料として使用される代表的な物質の熱膨張率についてデータをご紹介するとともに、それぞれの物質の膨張・収縮が一般的な空調と精密空調の環境下で比較するとどのような差が生じるかのシュミレーション結果をまとめてご参照いただけるようにいたしました。

温度による膨張・収縮

※再現性とは
再現性とは測定の精度を表す言葉で、異なった環境条件で行った測定結果のばらつきの程度を表します。
それに対して、繰り返し性とは、同一の環境条件で行った測定結果のばらつきの程度を表します。

線膨張率と体積膨張率について

要注意! …温度が上がると
物体は「伸びる」「広がる」「膨らむ」

温度変化による膨張率には「線膨張率」と「体積膨張率」があります。

線膨張

線膨張率とは

固体の線膨張率は、単位長さあたりの温度による長さの変化率で表されます。物体の長さをL、摂氏温度をTとすると、


線膨張率α=1/L・dT/dL ※

※dT/dLは温度Tがd変化したときに固体が変化する長さの指標地であり、固体の物質によって異なりますが、温度に関わらず一定した値となります。

固体の線膨張率は、温度に関わらずほぼ一定とみなせるため、T℃における物体の長さLは、

物体の長さ=L0(1+αT)

※L0は0℃における物体の長さ。

体積膨張

体積膨張率とは

固体の体積膨張率は、物体の体積Vを用いて次のように定義します。
体積膨張率β=1/V・dV/dT、体積Vを物体の長さLで表現すると、


体積V=L3

となります。よって、


体積膨張率β
=1V・dV/dT
=1/L3・dV/dL・dL/dT
=3/L・dL/dT=3α

となります。

体積膨張率βも、線膨張率αと同様に使用すると、

体積V=V0(1+βT)=V0(1+3αT)

※V0は0℃における物体の体積。

と表すことができます。

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