¿Cuál es la verdadera razón detrás de la expansión térmica?

Hablando en términos generales, la materia sólida está en forma de celosía ,

Una red tridimensional llena de dos moléculas A y B, aquí mostradas como esferas en blanco y negro.

Las moléculas encajan como LEGO, las fuerzas que las unen son principalmente el derrame de las fuerzas del campo eléctrico , atractivas y repulsivas que forman los patrones de la red.

En un solo cristal, se aplica una solución mecánica cuántica y las distancias atómicas están en su estado de energía más bajo/tierra, que tiene grados de libertad vibratorios y rotacionales de las moléculas y los átomos.

La entrada térmica aumenta la energía transferida a la red y esto significa que los átomos/moléculas transitan a niveles de energía más altos al absorber fotones térmicos. Mayores niveles de energía para cada átomo significan mayor distancia promedio en la solución del pozo de potencial para cada uno de ellos. Esto necesariamente significa expansión, que será transferida por interacciones electromagnéticas, de átomo/molécula a átomo/molécula. Esto inducirá tensión macroscópicamente, la suma de los impulsos tendrá consecuencias macroscópicas, expansión.

En consecuencia, al enfriarse, los átomos/moléculas regresan al estado fundamental emitiendo fotones térmicos y ese es el ruido que se escucha cuando la red se contrae.

Así es el cambio en los niveles de energía en el marco microscópico, lo que lleva a un cambio en las distancias promedio que se manifestará como estrés.

Expansión térmica desde una perspectiva atomística:

El potencial energético entre dos átomos se puede aproximar mediante dos funciones exponenciales, una para la fuerza de atracción entre los átomos y otra para la fuerza de repulsión. La superposición de estos dos campos de fuerza tiene un mínimo a cierta distancia. Ejemplos de tales potenciales empíricos son Stillinger-Weber, Lennard-Jones o el potencial de Abel-Tersoff. Esto corresponde a la longitud de enlace en el estado fundamental (a la energía mínima) y se puede medir macroscópicamente como la longitud de un sólido a granel.

Si ahora aumenta la energía (por ejemplo, debido a una temperatura más alta), los átomos pueden moverse libremente dentro de los límites de la función potencial, donde el valor medio se mueve hacia longitudes de enlace más grandes y, por lo tanto, causa expansión térmica. Consulta las cifras en Modelado de expansión térmica (página web del MIT)