열팽창 계수(熱膨脹係數, coefficient of thermal expansion, CTE) 또는 열팽창률은 일정한 압력 아래에 있는 물체의 열팽창과 온도 사이의 비율을 나타내는 물리량이다. 온도 변화에 따라 물체의 크기가 얼마나 변하는지를 설명하며, 계수가 낮을수록 온도 변화에 따른 크기 변화가 적음을 의미한다.
열팽창 계수는 크게 세 가지 유형으로 구분된다. 선팽창 계수(linear thermal expansion coefficient, αL)는 단위 길이당 온도 1도 변화에 따른 길이의 변화율을 나타내며, 면적 팽창 계수(area thermal expansion coefficient, αA)는 단위 면적당 변화율, 체적 팽창 계수(volumetric thermal expansion coefficient, αV)는 단위 부피당 변화율을 나타낸다. 등방성(isotropic) 재료의 경우 αA = 2αL, αV = 3αL의 관계가 성립한다.
수학적으로 선팽창 계수는 다음과 같이 정의된다.
αL = (1/L) · (dL/dT)
여기서 L은 물체의 길이, dL/dT는 온도 변화에 따른 길이 변화율이다. 온도 변화가 크지 않은 경우, 길이 변화량 ΔL은 근사적으로 ΔL = αL · L0 · ΔT로 표현할 수 있다.
SI 단위는 켈빈의 역수(K⁻¹)이며, 섭씨온도 기준으로 °C⁻¹도 사용된다.
재료별 열팽창 계수는 물질의 종류에 따라 크게 달라진다. 일반적으로 고체는 액체보다 열팽창 계수가 작으며, 공유 결합이나 이온 결합이 강한 물질일수록 열팽창 계수가 작다. 예를 들어 다이아몬드는 약 1×10⁻⁶ K⁻¹로 매우 낮은 값을 가지는 반면, 알루미늄은 약 23×10⁻⁶ K⁻¹, 에탄올과 같은 액체는 약 250×10⁻⁶ K⁻¹에 이른다. 특수 합금인 인바(Invar)는 약 1.2×10⁻⁶ K⁻¹로 매우 낮은 열팽창 계수를 가져 정밀 기계 부품에 사용된다.
일부 물질은 특정 온도 범위에서 가열 시 오히려 수축하는 음의 열팽창(negative thermal expansion) 현상을 보인다. 대표적인 예로 3.983°C 이하의 물이 있으며, 특정 티타늄 합금(ALLVAR Alloy 30)이나 규소도 일부 온도 구간에서 음의 열팽창 계수를 나타낸다.
열팽창 계수는 공학 및 제품 설계에서 핵심적으로 고려되는 물성치이다. 철도 레일의 신축 이음매, 교량의 신축 이음 장치, 파이프라인의 팽창 루프, 바이메탈 온도계, 정밀 기계 부품의 열 변형 제어 등 다양한 분야에서 응용된다. 반도체 산업에서는 실리콘과 다른 재료 간의 열팽창 계수 차이로 인한 열응력 문제가 중요한 설계 요소로 다루어진다.
