Wiadomo, że cząstki pod wpływem ciepła przyspieszają swój chaotyczny ruch. Jeśli podgrzejesz gaz, cząsteczki, które go tworzą, po prostu się od siebie rozproszą. Ogrzana ciecz najpierw zwiększy swoją objętość, a następnie zacznie parować. Co się stanie z ciałami stałymi? Nie każdy z nich może zmienić stan agregacji.
Definicja rozszerzalności cieplnej
Rozszerzalność cieplna to zmiana wielkości i kształtu ciał wraz ze zmianą temperatury. Matematycznie możliwe jest obliczenie współczynnika rozszerzalności objętościowej, co pozwala przewidzieć zachowanie gazów i cieczy w zmieniających się warunkach zewnętrznych. Aby uzyskać te same wyniki dla ciał stałych, należy wziąć pod uwagę współczynnik rozszerzalności liniowej. Fizycy wybrali dla tego rodzaju badań całą sekcję i nazwali ją dylatometrią.
Inżynierowie i architekci potrzebują wiedzy na temat zachowania się różnych materiałów pod wpływem wysokich i niskich temperatur do projektowania budynków, układania dróg i rur.
Rozszerzenie gazowe
Termiczneekspansji gazów towarzyszy wzrost ich objętości w przestrzeni. Zostało to zauważone przez filozofów przyrody w starożytności, ale tylko współczesnym fizykom udało się zbudować obliczenia matematyczne.
Przede wszystkim naukowcy zainteresowali się rozszerzaniem powietrza, ponieważ wydawało im się to wykonalnym zadaniem. Zabrali się do pracy tak gorliwie, że uzyskali raczej sprzeczne wyniki. Oczywiście społeczność naukowa nie była zadowolona z takiego wyniku. Dokładność pomiaru zależała od użytego termometru, ciśnienia i wielu innych warunków. Niektórzy fizycy doszli nawet do wniosku, że rozszerzanie się gazów nie zależy od zmian temperatury. A może to uzależnienie jest niekompletne…
Dzieła D altona i Gay-Lussaca
Fizycy nadal by się kłócili, aż zachrypnęliby lub porzuciliby pomiary, gdyby nie John D alton. On i inny fizyk, Gay-Lussac, byli w stanie niezależnie uzyskać te same wyniki pomiarów w tym samym czasie.
Lussac próbował znaleźć przyczynę tak wielu różnych wyników i zauważył, że niektóre urządzenia w czasie eksperymentu miały wodę. Naturalnie w procesie ogrzewania zamieniał się w parę i zmieniał ilość i skład badanych gazów. Dlatego pierwszą rzeczą, jaką zrobił naukowiec, było dokładne wysuszenie wszystkich instrumentów, których używał do przeprowadzenia eksperymentu, i wykluczenie nawet minimalnego procentu wilgoci z badanego gazu. Po tych wszystkich manipulacjach kilka pierwszych eksperymentów okazało się bardziej wiarygodnych.
D alton zajmował się tym problemem dłużejswojego kolegi i opublikował wyniki na samym początku XIX wieku. Osuszył powietrze oparami kwasu siarkowego, a następnie podgrzał. Po serii eksperymentów John doszedł do wniosku, że wszystkie gazy i para wodna rozszerzają się o współczynnik 0,376. Lussac otrzymał liczbę 0,375. Stało się to oficjalnym wynikiem badania.
Sprężystość pary wodnej
Rozszerzalność cieplna gazów zależy od ich elastyczności, to znaczy zdolności do powrotu do pierwotnej objętości. Ziegler jako pierwszy zbadał tę kwestię w połowie XVIII wieku. Ale wyniki jego eksperymentów były zbyt zróżnicowane. Bardziej wiarygodne dane uzyskał James Watt, który używał kotła do wysokich temperatur i barometru do niskich temperatur.
Pod koniec XVIII wieku francuski fizyk Prony próbował wyprowadzić jeden wzór opisujący elastyczność gazów, ale okazał się on zbyt nieporęczny i trudny w użyciu. D alton postanowił przetestować wszystkie obliczenia empirycznie, używając do tego barometru syfonowego. Pomimo faktu, że temperatura nie była taka sama we wszystkich eksperymentach, wyniki były bardzo dokładne. Więc opublikował je jako tabelę w swoim podręczniku fizyki.
Teoria parowania
Rozszerzanie termiczne gazów (jako teoria fizyczna) podlegało różnym zmianom. Naukowcy próbowali dotrzeć do sedna procesów, w których wytwarzana jest para. Tutaj ponownie wyróżnił się znany fizyk D alton. Postawił hipotezę, że każda przestrzeń jest nasycona parą gazu, niezależnie od tego, czy jest ona obecna w tym zbiorniku(pomieszczenie) jakikolwiek inny gaz lub para. Dlatego można stwierdzić, że ciecz nie wyparuje po prostu przez kontakt z powietrzem atmosferycznym.
Nacisk słupa powietrza na powierzchni cieczy zwiększa przestrzeń między atomami, rozrywając je i odparowując, czyli przyczynia się do powstawania pary. Jednak grawitacja nadal działa na cząsteczki pary, więc naukowcy obliczyli, że ciśnienie atmosferyczne nie ma wpływu na parowanie cieczy.
Rozszerzanie płynów
Rozszerzalność cieplna cieczy była badana równolegle z rozszerzaniem się gazów. Ci sami naukowcy byli zaangażowani w badania naukowe. W tym celu użyli termometrów, aerometrów, naczyń połączonych i innych instrumentów.
Wszystkie eksperymenty razem i każdy z osobna obaliły teorię D altona, że jednorodne ciecze rozszerzają się proporcjonalnie do kwadratu temperatury, do której są podgrzewane. Oczywiście im wyższa temperatura, tym większa objętość cieczy, ale nie było między nią bezpośredniego związku. Tak, a tempo ekspansji wszystkich płynów było inne.
Rozszerzalność cieplna wody, na przykład, zaczyna się od zera stopni Celsjusza i trwa wraz ze spadkiem temperatury. Wcześniej takie wyniki eksperymentów wiązały się z tym, że to nie sama woda rozszerza się, ale zbiornik, w którym się znajduje, zwęża się. Ale jakiś czas później fizyk Deluca doszedł jednak do wniosku, że przyczyny należy szukać w samej cieczy. Postanowił znaleźć temperaturę jej największej gęstości. Jednak nie udało mu się to z powodu zaniedbaniatrochę szczegółów. Rumforth, który badał to zjawisko, stwierdził, że maksymalna gęstość wody jest obserwowana w zakresie od 4 do 5 stopni Celsjusza.
Rozszerzalność cieplna ciał
W ciałach stałych głównym mechanizmem ekspansji jest zmiana amplitudy drgań sieci krystalicznej. W prostych słowach atomy, które tworzą materiał i są ze sobą sztywno połączone, zaczynają „drżeć”.
Prawo rozszerzalności cieplnej ciał jest sformułowane w następujący sposób: dowolne ciało o wymiarze liniowym L w procesie nagrzewania o dT (delta T jest różnicą między temperaturą początkową a temperaturą końcową), rozszerza się o dL (delta L jest pochodną współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej od długości obiektu i różnicy temperatur). To najprostsza wersja tego prawa, która domyślnie uwzględnia, że ciało rozszerza się we wszystkich kierunkach jednocześnie. Ale do pracy praktycznej stosuje się znacznie bardziej kłopotliwe obliczenia, ponieważ w rzeczywistości materiały zachowują się inaczej niż te modelowane przez fizyków i matematyków.
Rozszerzenie termiczne szyny
Inżynierowie fizycy są zawsze zaangażowani w układanie torów kolejowych, ponieważ mogą dokładnie obliczyć, jaka odległość powinna być między złączami szyn, aby tory nie odkształciły się podczas ogrzewania lub chłodzenia.
Jak wspomniano powyżej, termiczna rozszerzalność liniowa ma zastosowanie do wszystkich ciał stałych. A kolej nie jest wyjątkiem. Ale jest jeden szczegół. Zmiana liniowawystępuje swobodnie, jeśli na ciało nie działa siła tarcia. Szyny są sztywno przymocowane do podkładów i przyspawane do sąsiednich szyn, więc prawo opisujące zmianę długości uwzględnia pokonywanie przeszkód w postaci oporów liniowych i doczołowych.
Jeżeli szyna nie może zmienić swojej długości, to wraz ze zmianą temperatury wzrasta w niej naprężenie termiczne, które może zarówno rozciągać, jak i ściskać. Zjawisko to opisuje prawo Hooke'a.
