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線膨張係数とは?1分でわかる意味、計算、単位、鉄とコンクリートの値

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線膨張係数とは、温度変化1℃当たりの変形量ΔLと変形前の材用長さLの割合です。線膨張係数α=(ΔL/L)×(1/ΔT)で計算できます。要するに、温度変化による材料の長さの変化の割合です。線膨張係数の値が大きいほど、温度で長さが変わりやすい材料です。今回は、線膨張係数の意味、計算、単位、鉄とコンクリートの線膨張係数について説明します。鉄、アルミの線膨張係数の値は下記が参考になります。

鉄の線膨張係数は?1分でわかる値、ss400の値、単位、伸びの計算

アルミの線膨張係数は?1分でわかる値、計算、鉄との違い

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線膨張係数とは?計算

線膨張係数とは、1℃の温度変化を受けて生じた変形量ΔLと元の長さLの割合です。下式で計算します。ΔTは材料の温度変化した値です。例えば、20℃から21℃に変化したならΔT=1です。


α=(ΔL/L)×(1/ΔT)


ΔTの値が大きいほど温度変化による変形量ΔLも大きくなります。ΔL/Lに1/ΔTを掛けることで「1℃当たりの温度変化」による変形量と元の長さの割合を算定できます。


また上式をΔLの形に変形すると、


ΔL=αLΔT


になります。


上式より「線膨張係数が大きいほど」「材料が長いほど」温度変化により変形しやすい材料です。材料ごとに線膨張係数は異なります。鉄とアルミの線膨張係数は下記が参考になります。

鉄の線膨張係数は?1分でわかる値、ss400の値、単位、伸びの計算

アルミの線膨張係数は?1分でわかる値、計算、鉄との違い


また、材料に温度変化による変形に伴い「応力」が生じます。これを温度応力といいます。温度応力は下記が参考になります。

温度応力とは?1分でわかる意味、計算、例題、線膨張係数との関係


実際に線膨張係数の値を計算しましょう。ある材料の温度が10℃から15℃に変化するとき、ΔL=1mmになりました。元々の部材長さLは5000mmです。αを計算してください。


α=(ΔL/L)×(1/ΔT)=(1/5000)×(1/(15-10))=0.8×10^5 (1/℃)


また、温度変化による部材の伸び(縮み)も計算できます。長さ5000mmの鉄の温度が10℃から11℃に変化したときの伸びΔLを求めます。鉄の線膨張係数は1.2×10-5とします。


ΔL=αLΔT=1.2×10^(-5)×5000×1=0.06mm


上記のように温度変化による伸縮量は線膨張係数の値に比例します。線膨張係数の値が大きな材料に注意しましょう。また材料の長さが極端に大きい場合、変形量が大きくなります。

線膨張係数の単位

線膨張係数の単位は、


1/℃


です。線膨張係数αの計算式を思い出してください。下記に示します。


α=(ΔL/L)×(1/ΔT)


ΔL、L共に長さの単位です。よって単位も打ち消しあいますが、「1℃当たり(単位温度当たり)」の長さの割合なので、上記の単位となります。線膨張係数の単位の詳細は下記も参考になります。

線膨張係数の単位は?1分でわかる単位、換算、コンクリートの値と単位

鉄とコンクリートの線膨張係数

鉄とコンクリートの線膨張係数は、


約1×10-5(1/℃)


です。※厳密には鉄や鋼は約1.2×10-5(1/℃)だが、建築では1×10-5(1/℃)で扱うことも多い。鉄筋コンクリート造構造計算規準などが参考になる。


2つの材料は同じ線膨張係数です。コンクリートは圧縮に強く、引張に弱い材料です。一方鉄筋は引張に強く、圧縮に弱いです。さらに、前述した線膨張係数がほぼ一致します。よって鉄筋コンクリートは、温度変化による温度応力が生じません。


温度応力の意味、計算方法は、下記が参考になります。

温度応力とは?1分でわかる意味、計算、例題、線膨張係数との関係

線膨張係数の読み方

線膨張係数は、「せんぼうちょうけいすう」と読みます。温度応力は「おんどおうりょく」と読みます。温度応力の意味、求め方は下記が参考になります。

温度応力とは?1分でわかる意味、計算、例題、線膨張係数との関係

まとめ

今回は線膨張係数について説明しました。線膨張係数は、温度変化1℃当たりの変形量ΔLと材料の元の長さLの割合です。線膨張係数α=(ΔL/L)×(1/ΔT)で計算できます。また温度変化による材料の伸縮量の計算も理解しましょうね。下記も併せて勉強しましょう。

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