Det er kjent at partikler under påvirkning av varme akselererer deres kaotiske bevegelse. Hvis du varmer opp en gass, vil molekylene som utgjør den rett og slett spre seg fra hverandre. Den oppvarmede væsken vil først øke i volum, og deretter begynne å fordampe. Hva vil skje med faste stoffer? Ikke alle av dem kan endre aggregeringstilstanden.
Definisjon av termisk ekspansjon
Termisk ekspansjon er en endring i størrelse og form på kropper med en endring i temperatur. Matematisk er det mulig å beregne den volumetriske ekspansjonskoeffisienten, som gjør det mulig å forutsi oppførselen til gasser og væsker under skiftende ytre forhold. For å få samme resultater for faste stoffer, må det tas hensyn til koeffisienten for lineær ekspansjon. Fysikere har trukket ut en hel seksjon for denne typen forskning og k alt det dilatometry.
Ingeniører og arkitekter trenger kunnskap om oppførselen til ulike materialer under påvirkning av høye og lave temperaturer for utforming av bygninger, legging av veier og rør.
Gassutvidelse
Termiskutvidelsen av gasser er ledsaget av utvidelsen av volumet deres i rommet. Dette ble lagt merke til av naturfilosofer i antikken, men bare moderne fysikere klarte å bygge matematiske beregninger.
Først av alt ble forskere interessert i utvidelsen av luft, siden det syntes de var en gjennomførbar oppgave. De begynte så iherdig at de fikk ganske motstridende resultater. Naturligvis var det vitenskapelige miljøet ikke fornøyd med et slikt resultat. Nøyaktigheten av målingen var avhengig av hvilket termometer som ble brukt, trykket og en rekke andre forhold. Noen fysikere har til og med kommet til den konklusjon at utvidelsen av gasser ikke er avhengig av endringer i temperaturen. Eller er denne avhengigheten ufullstendig…
Verk av D alton og Gay-Lussac
Fysikere ville fortsette å krangle til de er hese eller ville ha forlatt målinger hvis ikke for John D alton. Han og en annen fysiker, Gay-Lussac, var i stand til uavhengig å oppnå de samme måleresultatene på samme tid.
Lussac prøvde å finne årsaken til så mange forskjellige resultater og la merke til at noen av enhetene på tidspunktet for eksperimentet hadde vann. Naturligvis, i oppvarmingsprosessen, ble det til damp og endret mengden og sammensetningen av de studerte gassene. Derfor var det første forskeren gjorde å tørke grundig alle instrumentene han brukte til å utføre eksperimentet, og å utelukke selv den minste prosentandelen av fuktighet fra gassen som studeres. Etter alle disse manipulasjonene viste de første eksperimentene seg å være mer pålitelige.
D alton behandlet dette problemet lengersin kollega og publiserte resultatene helt på begynnelsen av 1800-tallet. Han tørket luften med svovelsyredamp og varmet den deretter opp. Etter en rekke eksperimenter kom John til den konklusjon at alle gasser og damp ekspanderer med en faktor på 0,376. Lussac fikk tallet 0,375. Dette ble det offisielle resultatet av studien.
Elastisiteten til vanndamp
Den termiske utvidelsen av gasser avhenger av deres elastisitet, det vil si evnen til å gå tilbake til sitt opprinnelige volum. Ziegler var den første som undersøkte dette spørsmålet på midten av det attende århundre. Men resultatene av eksperimentene hans varierte for mye. Mer pålitelige tall ble oppnådd av James Watt, som brukte en gryte for høye temperaturer og et barometer for lave temperaturer.
På slutten av 1700-tallet forsøkte den franske fysikeren Prony å utlede en enkelt formel som skulle beskrive elastisiteten til gasser, men den viste seg å være for tungvint og vanskelig å bruke. D alton bestemte seg for å teste alle beregningene empirisk ved å bruke et sifonbarometer for dette. Til tross for at temperaturen ikke var den samme i alle forsøk, var resultatene svært nøyaktige. Så han publiserte dem som en tabell i læreboken i fysikk.
Fordampningsteori
Den termiske ekspansjonen av gasser (som en fysisk teori) har gjennomgått ulike endringer. Forskere prøvde å komme til bunns i prosessene som damp produseres ved. Også her markerte den kjente fysikeren D alton seg. Han antok at ethvert rom er mettet med gassdamp, uavhengig av om det er tilstede i dette reservoaret(rom) annen gass eller damp. Derfor kan det konkluderes med at væsken ikke vil fordampe bare ved å komme i kontakt med atmosfærisk luft.
Trykket av luftsøylen på overflaten av væsken øker rommet mellom atomene, river dem fra hverandre og fordamper, det vil si at det bidrar til dannelsen av damp. Men tyngdekraften fortsetter å virke på dampmolekylene, så forskerne beregnet at atmosfærisk trykk ikke har noen effekt på fordampning av væsker.
Ekspansjon av væsker
Væskes termiske ekspansjon ble undersøkt parallelt med ekspansjonen av gasser. De samme forskerne var engasjert i vitenskapelig forskning. For å gjøre dette brukte de termometre, aerometre, kommunikasjonsfartøy og andre instrumenter.
Alle eksperimenter sammen og hver for seg tilbakeviste D altons teori om at homogene væsker utvider seg proporsjon alt med kvadratet på temperaturen de varmes opp til. Selvfølgelig, jo høyere temperatur, jo større volum av væsken, men det var ingen direkte sammenheng mellom den. Ja, og ekspansjonshastigheten for alle væsker var forskjellig.
Den termiske utvidelsen av vann starter for eksempel ved null grader celsius og fortsetter når temperaturen synker. Tidligere ble slike resultater av eksperimenter assosiert med at det ikke er vannet i seg selv som utvider seg, men beholderen der det er plassert smalner. Men en tid senere kom fysikeren Deluca likevel til den konklusjon at årsaken skulle søkes i selve væsken. Han bestemte seg for å finne temperaturen med dens største tetthet. Han lyktes imidlertid ikke på grunn av omsorgssviktnoen detaljer. Rumforth, som studerte dette fenomenet, fant at den maksimale tettheten av vann er observert i området fra 4 til 5 grader Celsius.
Termisk utvidelse av kropper
I faste stoffer er hovedmekanismen for ekspansjon en endring i amplituden til vibrasjonene til krystallgitteret. Med enkle ord begynner atomene som utgjør materialet og er stivt knyttet til hverandre å "skjelve".
Loven om termisk ekspansjon av legemer er formulert som følger: ethvert legeme med en lineær størrelse L som er i ferd med å varmes opp med dT (delta T er forskjellen mellom starttemperaturen og slutttemperaturen), ekspanderer med dL (delta L er den deriverte av koeffisienten for lineær termisk utvidelse av objektlengde og temperaturforskjell). Dette er den enkleste versjonen av denne loven, som som standard tar hensyn til at kroppen ekspanderer i alle retninger samtidig. Men for praktisk arbeid brukes mye mer tungvinte beregninger, siden materialer i virkeligheten oppfører seg annerledes enn de som er modellert av fysikere og matematikere.
Termisk utvidelse av skinnen
Fysiske ingeniører er alltid med på å legge jernbanesporet, da de nøyaktig kan beregne hvor stor avstand som skal være mellom skinneskjøtene slik at sporene ikke deformeres ved oppvarming eller avkjøling.
Som nevnt ovenfor, er termisk lineær ekspansjon gjeldende for alle faste stoffer. Og skinnen er intet unntak. Men det er én detalj. Lineær endringoppstår fritt dersom kroppen ikke påvirkes av friksjonskraften. Skinnene er stivt festet til svillene og sveiset til tilstøtende skinner, så loven som beskriver lengdeendringen tar hensyn til overvinnelse av hindringer i form av lineære motstander og støtmotstander.
Hvis en skinne ikke kan endre lengden, øker den termiske spenningen med en temperaturendring, som både kan strekke og komprimere den. Dette fenomenet er beskrevet av Hookes lov.
