Rozszerzalność cieplna jest właściwością fizykalną cieczy ściśle powiązaną z energią wewnętrzną ośrodka – wyraża zdolność płynu do zmiany objętości pod wpływem zmiany temperatury, przy stałym ciśnieniu. W odróżnieniu od ściśliwości, która opisuje reakcję cieczy na zmiany ciśnienia, rozszerzalność cieplna charakteryzuje jej odpowiedź termiczną. Dla inżyniera instalacji sanitarnych i grzewczych jest to jedna z najważniejszych praktycznie właściwości wody – ignorowanie jej skutków prowadzi bezpośrednio do błędów projektowych o poważnych konsekwencjach eksploatacyjnych.
Miarą rozszerzalności cieplnej jest współczynnik rozszerzalności cieplnej βT [1/°C], definiowany jako względny przyrost objętości cieczy przypadający na jednostkowy wzrost temperatury, przy stałym ciśnieniu:gdzie:
- βT – współczynnik rozszerzalności cieplnej [1/°C],
- V – objętość początkowa cieczy [m³],
- dV – przyrost objętości wywołany zmianą temperatury [m³],
- dT – przyrost temperatury [°C].
Zapis ten ma czytelną interpretację fizyczną: β_T mówi nam, o jaką ułamkową część swojej objętości początkowej rozszerzy się ciecz przy podgrzaniu o 1°C. Im wyższy współczynnik, tym bardziej dynamicznie ciecz reaguje na zmiany temperatury i tym większą objętość kompensacyjną muszą posiadać elementy instalacji pochłaniające tę nadwyżkę.
Dla wody w zakresie temperatur od 0°C do 100°C wartość współczynnika rozszerzalności cieplnej można z dobrym przybliżeniem przyjmować jako:Wartość ta nie jest jednak stała w całym zakresie temperatur – jest to wartość uśredniona, użyteczna w obliczeniach inżynierskich. W rzeczywistości β_T rośnie wraz z temperaturą: w pobliżu 0°C przyjmuje wartości bliskie zeru (a nawet ujemne poniżej 4°C, co jest konsekwencją anomalii termicznej wody), natomiast w pobliżu 100°C osiąga wartości rzędu 0,00075 1/°C – niemal dwukrotnie wyższe niż wartość uśredniona. Dlatego przy obliczeniach instalacji pracujących w wysokich temperaturach (np. instalacje c.o. wysokotemperaturowe z temperaturą zasilania 90°C) stosowanie wartości uśrednionej może prowadzić do niedoszacowania przyrostu objętości i – w konsekwencji – do zbyt małego naczynia wzbiorczego.
Praktyczne znaczenie rozszerzalności cieplnej wody jest trudne do przecenienia. Rozpatrzmy instalację grzewczą zamkniętą, napełnioną wodą o objętości V = 500 litrów w temperaturze napełnienia T₁ = 10°C, podgrzaną następnie do temperatury roboczej T₂ = 80°C. Przyrost temperatury wynosi ΔT = 70°C. Przyrost objętości wody obliczamy z definicji współczynnika rozszerzalności cieplnej:Ponad 15 litrów wody musi zostać pochłonięte przez naczynie wzbiorcze – w przeciwnym razie ciśnienie w zamkniętym układzie wzrośnie powyżej wartości dopuszczalnej i otworzy się zawór bezpieczeństwa. Jest to jeden z elementarnych obowiązków projektanta instalacji grzewczej: prawidłowe zwymiarowanie naczynia wzbiorczego przeponowego z uwzględnieniem rozszerzalności cieplnej czynnika.
Analogiczne obliczenia dotyczą instalacji solarnych, gdzie temperatura czynnika roboczego może sięgać nawet 150–180°C w warunkach stagnacji (zatrzymania pompy przy pełnym nasłonecznieniu), a także instalacji z glikolem, dla którego współczynnik rozszerzalności cieplnej jest wyższy niż dla czystej wody i zależy dodatkowo od stężenia roztworu. W tych przypadkach stosowanie tabelarycznych wartości βT dla konkretnego czynnika i zakresu temperatur jest bezwzględnie konieczne.