Thermal expansion หรือ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน คืออะไร

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน หรือภาษาอังกฤษที่เรียกว่า Coefficient of thermal expansion (CTE) คือ ค่าที่เกิดจากการขยายตัว หรือการหดตัวของพื้นผิววัตถุที่ถูกสัมผัสกับอุณหภูมิอากาศในพื้นที่นั้นๆ 

โดยหากวัตถุที่อยู่ในอุณหภูมิสูงไม่ว่าจะเป็นกลางแจ้ง ในบริเวณใกล้เตาเผาต่างๆ วัตถุชิ้นนั้นจะมีการขยายตัวขึ้น ในระยะตามปัจจัยต่างๆ เช่น ประเภทของวัสดุ ขนาด และ อุณหภูมิสัมประสิทธิ และในพื้นที่หรือบริเวรที่อุณหภูมิต่ำมากๆ ก็จะมีการหดตัวด้วยเช่นกัน อย่างเช่น แก้วที่แช่ในช่องฟรีสตู้เย็นก็จะเกิดการหดตัวและเกิดรอยร้าวได้

ตัวอย่างของ Thermal expansion หรือ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน

การขยายตัวของรางรถไฟ Thermal expansion

รางรถไฟ

รางรถไฟจะถูกขยายตัวเมื่อรางว่าง ไม่มีขบวนรถไฟผ่าน ทำให้เหล็กมีการสัมผัสกับอากาศและแสง แดด จึงทำให้อุณหภูมิของรางรถไฟมีการเปลี่ยนแปลงทุกๆ 1 องศา เกิดการขยายหรือหดตัวตลอดเวลา

การขยายตัวของอาหารประเภทเนื้อสัตว์ Thermal expansion

อาหารประเภทเนื้อสัตว์

การขยายตัวของทางชีวะภาพ อย่างการต้มหมึก โดยปกติหมึกจะมีตัวขนาดใหญ่ก่อนที่จะถูกความร้อนด้วยการต้มในหม้อ ทำให้เกิดการหดตัวของหมึก
การขยายตัวของแก้ว Thermal expansion

แก้ว

การแช่แก้วในช่องแช่แข็ง ทำให้เกิดการควบแน่นของโมเลกุลหดตัว จนแก้วเกิดรอยร้าวได้
การขยายตัวของเส้นพาสต้า Thermal expansion

เส้นพาสต้า

จากเดิมที่เส้นแข็งเป็นเส้นตรงอยู่แล้ว เมื่อถูกต้มในหม้อร้อน จึงทำให้เส้นเกิดการอ่อนตัวลง และนิ่มขึ้น เพราะเกิดการขยายตัว

ประเภทของวัสดุ อาจส่งผลต่อการวัดเช่นเดียวกัน

วัสดุทุกประเภทสามารถเปลี่ยนแปลง รูปแบบได้ ด้วยความแข็งแกร่งของวัสดุ การเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น Elastic Deformation ซึ่งเราอาจจะต้องมีการคำนวน Modulus  หากวัสดีมีการบีบที่แรงขณะวัด จากการหมุน ไมโครมิเตอร์ แน่นเกินไป ก็อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปได้ ซึ่ง เราอาจจะต้องดูจาก คุณสมบัติของวัสดุด้วยเช่นกัน

ซึ่งง่ายที่สุดคือการตรวจสอบค่าต่างๆ ของวัสดุนั้นๆ ผ่านฐานข้อมูลวัสดุ อย่าง Total Materia และแน่นอนว่าในฐานข้อมูล Total Materia ก็ยังมีค่า CTE (ค่าสัมประสิทธิ์การขยาย) ประกอบอยู่แล้วด้วย ทำให้เราประหยัดเวลาในหลายๆส่วนได้ดีมากยิ่งขึ้น

Total materia ฐานข้อมูลวัสดุ โมดูลัส และค่า CTE Coefficient thermal Expansions
CTE ของวัสดุ 1.4301 Stainless Steel ใน Total Materia

ปัญหาของการเกิด Thermal expansion หรือ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน

พื้นผิววัตถุไม่สม่ำเสมอถึงแม้มองด้วยตาเปล่าแล้วยังรู้สึกว่ารูปทรงยังดูสมส่วน เนื่องจากพื้นผิวถูกขยายตัวไปแล้ว 0.01% ก็ทำให้เกิดความไม่สม่ำเสมอได้ มีปัญหาในการใช้งานได้ง่ายถึงแม้จะขยายเพียงเล็กน้อยก็ตาม

วิธีแก้ไขปัญหาและหลีกเลี่ยงปัญหาของ Thermal expansion

  • ออกแบบโครงสร้างป้องกันการเกิดการขยายตัวของสิ่งของ เช่น รางรถไฟ เนื่องจากรางรถไฟมีโอกาศสูงมากที่เกิดการเปลี่ยนแปลงขยายตัวได้ตลอดเวลา จึงมีการออกแบบโครงสร้างรางรถไฟให้มีการเว้นระยะห่างกับข้อต่อเล็กน้อย
  • สร้างอาคารให้มีการระบายความร้อนได้ดี เพื่อให้อากาศภายนอกลอยเข้ามาแทนที่ ทำให้เกิดความสมดุลทางอุณหภูมิได้
  • ใช้ตัววัดในการควบคุมอุณหภูมิห้อง

ค่าสัมประสิทธิ์ หรือ Thermal expansion จำแนกออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัว เชิงเส้น เนื่องจากความร้อน ในเชิง Linear เส้นตรง

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้น
Linear Expansion

เป็นการขยายตัวเชิงเส้นของวัตถุพื้นผิวที่เป็นของแข็ง มีการยืดขยายยาวออกตามอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไป

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัว เชิงพื้นที่ เนื่องจากความร้อน ในเชิง area พื้นที่

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงปริมาณ
Area Expansion

เป็นการขยายตัวเชิงปริมาณในวัตถุ เพิ่มพื้นที่บรรจุภายในให้มีปริมาณใหญ่ขึ้นตามอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไป

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัว เชิงปริมาตร เนื่องจากความร้อน ในเชิง Volume

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของพื้นที่
Volume Expansion

เป็นการขยายตัวพื้นที่ของพื้นผิววัตถุให้มีขนาดแผ่นใหญ่มากขึ้นตามอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไป

Thermal expansion ค่าสัมประสิทธิ์ขยายตัวทางความร้อน คือ ค่าที่ส่งผลกระทบกับงานในอุตสาหกรรมเป็นอย่างมาก

ผลกระทบของ Thermal expansion หรือค่าสัมประสิทธิการขยายตัวทางความร้อน ที่ส่งผลในอุตสาหกรรม

พื้นผิววัสดุไม่มีความสมมาตร อาจทำให้เกิดปัญหาในการประกอบไม่ได้มาตรฐาน ขาดความปลอดภัย เสียเวลาและใช้ทรัพยากรมาก เช่น ค่าใช้จ่ายต้นทุนเพิ่มสูงขึ้น ขั้นตอนการทำงานซับซ้อนขึ้น

ควรมีเครื่องมือตรวจจับควบคุมอุณหภูมิ และวางแผนการออกแบบโครงสร้างต่างๆ ภายในอาคาร หรือสิ่งของนั้นๆ ควบคู่ไปด้วยกัน เพื่อให้อุณหภูมินิ่งมากที่สุด

Picture of Thaksina Suksai (Bestie)

Thaksina Suksai (Bestie)

Digital marketing intern of IKKI Thailand
รากฐาน คือ สิ่งที่สำคัญที่สุดในการนำไปต่อยอดในเรื่องต่างๆ เพราะมันทำให้เราเข้าใจกระบวนการทำงานได้หลากหลายอย่างวงกว้าง เข้าใจความเป็นธรรมชาติ จนเกิดการคิดวิเคราะห์ตกผลึกเป็นไอเดียสำคัญที่สามารถช่วยเหลือผู้คนในโลกใบนี้ได้มากมายอย่างแท้จริง