مشخص است که ذرات تحت تأثیر گرما حرکت آشفته خود را تسریع می کنند. اگر گازی را گرم کنید، مولکول های تشکیل دهنده آن به سادگی از یکدیگر پراکنده می شوند. مایع گرم شده ابتدا حجم خود را افزایش می دهد و سپس شروع به تبخیر می کند. چه اتفاقی برای جامدات خواهد افتاد؟ هر یک از آنها نمی توانند حالت تجمع خود را تغییر دهند.
تعریف انبساط حرارتی
انبساط حرارتی تغییر در اندازه و شکل اجسام با تغییر دما است. از نظر ریاضی، امکان محاسبه ضریب انبساط حجمی وجود دارد که امکان پیش بینی رفتار گازها و مایعات را در شرایط متغیر خارجی فراهم می کند. برای بدست آوردن نتایج یکسان برای جامدات، ضریب انبساط خطی باید در نظر گرفته شود. فیزیکدانان بخش کاملی را برای این نوع تحقیقات اختصاص داده اند و آن را دیلاتومتری نامیده اند.
مهندسان و معماران برای طراحی ساختمان‌ها، راه‌ها و لوله‌ها نیاز به دانش در مورد رفتار مواد مختلف تحت تأثیر دماهای بالا و پایین دارند.
انبساط گاز
حرارتیانبساط گازها با انبساط حجم آنها در فضا همراه است. این مورد توسط فیلسوفان طبیعی در دوران باستان مورد توجه قرار گرفت، اما فقط فیزیکدانان مدرن موفق به ایجاد محاسبات ریاضی شدند.
اول از همه، دانشمندان به انبساط هوا علاقه مند شدند، زیرا به نظر آنها یک کار عملی به نظر می رسید. آنها چنان با غیرت وارد کار شدند که نتایج نسبتاً متناقضی به دست آوردند. طبیعتاً جامعه علمی از چنین نتیجه ای راضی نبود. دقت اندازه گیری بستگی به دماسنج مورد استفاده، فشار و انواع شرایط دیگر دارد. برخی از فیزیکدانان حتی به این نتیجه رسیده اند که انبساط گازها به تغییرات دما بستگی ندارد. یا این اعتیاد ناقص است…
آثار دالتون و گی-لوساک
فیزیکدانان تا زمانی که خشن شوند به بحث ادامه می دهند یا اگر جان دالتون نبود اندازه گیری ها را رها می کردند. او و یک فیزیکدان دیگر، گی-لوساک، توانستند به طور مستقل نتایج اندازه گیری مشابهی را در همان زمان به دست آورند.
Lussac تلاش کرد تا دلیل بسیاری از نتایج متفاوت را بیابد و متوجه شد که برخی از دستگاه‌ها در زمان آزمایش آب داشتند. طبیعتاً در فرآیند گرمایش به بخار تبدیل شده و مقدار و ترکیب گازهای مورد مطالعه را تغییر می دهد. بنابراین، اولین کاری که دانشمند انجام داد این بود که تمام ابزارهایی را که برای انجام آزمایش استفاده کرد، کاملاً خشک کرد و حتی حداقل درصد رطوبت را از گاز مورد مطالعه حذف کرد. بعد از تمام این دستکاری‌ها، چند آزمایش اول قابل اعتمادتر بودند.
دالتون مدت بیشتری با این موضوع برخورد کردهمکارش و نتایج را در همان آغاز قرن نوزدهم منتشر کرد. او هوا را با بخار اسید سولفوریک خشک کرد و سپس آن را گرم کرد. پس از یک سری آزمایش، جان به این نتیجه رسید که همه گازها و بخار با ضریب 0.376 منبسط می شوند. Lussac عدد 0.375 را دریافت کرد. این نتیجه رسمی مطالعه شد.
کشسانی بخار آب
انبساط حرارتی گازها به خاصیت ارتجاعی آنها، یعنی توانایی بازگشت به حجم اولیه خود بستگی دارد. زیگلر اولین کسی بود که در اواسط قرن هجدهم به بررسی این موضوع پرداخت. اما نتایج آزمایشات او بسیار متفاوت بود. ارقام قابل اعتمادتر توسط جیمز وات بدست آمد که از دیگ برای دماهای بالا و فشارسنج برای دماهای پایین استفاده کرد.
در پایان قرن هجدهم، پرونی فیزیکدان فرانسوی تلاش کرد تا فرمول واحدی را استخراج کند که خاصیت ارتجاعی گازها را توصیف کند، اما معلوم شد که استفاده از آن بسیار دست و پا گیر و دشوار است. دالتون تصمیم گرفت تمام محاسبات را به صورت تجربی آزمایش کند و از فشارسنج سیفون برای این کار استفاده کند. با وجود این واقعیت که دما در همه آزمایش ها یکسان نبود، نتایج بسیار دقیق بود. بنابراین او آنها را به عنوان جدول در کتاب درسی فیزیک خود منتشر کرد.
تئوری تبخیر
انبساط حرارتی گازها (به عنوان یک نظریه فیزیکی) دستخوش تغییرات مختلفی شده است. دانشمندان سعی کردند به فرآیندهای تولید بخار دست یابند. در اینجا دوباره، دالتون فیزیکدان معروف خود را متمایز کرد. او فرض کرد که هر فضایی از بخار گاز اشباع شده است، صرف نظر از اینکه در این مخزن وجود دارد یا خیر.(اتاق) هر گاز یا بخار دیگری. بنابراین، می توان نتیجه گرفت که مایع به سادگی با تماس با هوای اتمسفر تبخیر نمی شود.
فشار ستون هوا بر روی سطح مایع، فضای بین اتم ها را افزایش می دهد، آنها را از هم جدا می کند و تبخیر می شود، یعنی به تشکیل بخار کمک می کند. اما گرانش همچنان بر روی مولکول‌های بخار اثر می‌کند، بنابراین دانشمندان محاسبه کردند که فشار اتمسفر هیچ تأثیری بر تبخیر مایعات ندارد.
انبساط مایعات
انبساط حرارتی مایعات به موازات انبساط گازها مورد بررسی قرار گرفت. همین دانشمندان مشغول تحقیقات علمی بودند. برای انجام این کار، آنها از دماسنج، هواسنج، کشتی های ارتباطی و ابزارهای دیگر استفاده کردند.
همه آزمایش ها با هم و هر کدام به طور جداگانه نظریه دالتون را رد کردند که مایعات همگن متناسب با مجذور دمایی که در آن گرم می شوند منبسط می شوند. البته هر چه دما بیشتر باشد حجم مایع بیشتر می شود اما رابطه مستقیمی بین آن وجود نداشت. بله، و سرعت انبساط همه مایعات متفاوت بود.
انبساط حرارتی آب، برای مثال، از صفر درجه سانتیگراد شروع می شود و با کاهش دما ادامه می یابد. پیش از این، چنین نتایج آزمایش ها با این واقعیت همراه بود که این خود آب نیست که منبسط می شود، بلکه ظرفی که در آن قرار دارد باریک می شود. اما مدتی بعد، فیزیکدان دلوکا با این وجود به این نتیجه رسید که علت را باید در خود مایع جستجو کرد. او تصمیم گرفت دمای بیشترین چگالی آن را پیدا کند. اما به دلیل بی توجهی موفق نشدبرخی از جزئیات رامفورث که این پدیده را مطالعه کرد، دریافت که حداکثر چگالی آب در محدوده 4 تا 5 درجه سانتیگراد مشاهده می شود.
انبساط حرارتی اجسام
در جامدات، مکانیسم اصلی انبساط تغییر در دامنه ارتعاشات شبکه کریستالی است. به عبارت ساده، اتم هایی که ماده را می سازند و به طور محکم به یکدیگر متصل هستند، شروع به "لرزیدن" می کنند.
قانون انبساط حرارتی اجسام به شرح زیر است: هر جسمی با اندازه خطی L در فرآیند گرمایش با dT (مثل T تفاوت بین دمای اولیه و دمای نهایی است)، dL منبسط می شود. (دلتا L مشتق ضریب انبساط حرارتی خطی با طول جسم و اختلاف دما است). این ساده ترین نسخه این قانون است که به طور پیش فرض در نظر می گیرد که بدن به طور همزمان در همه جهات منبسط می شود. اما برای کار عملی، از محاسبات بسیار دست و پا گیر تری استفاده می شود، زیرا در واقعیت، مواد رفتاری متفاوت با آنچه که توسط فیزیکدانان و ریاضیدانان مدل سازی شده است، دارند.
انبساط حرارتی ریل
مهندسین فیزیک همیشه در چیدمان مسیر راه آهن نقش دارند، زیرا می توانند به طور دقیق محاسبه کنند که فاصله بین اتصالات ریل چقدر باید باشد تا مسیرها هنگام گرم شدن یا سرد شدن تغییر شکل ندهند.
همانطور که در بالا ذکر شد، انبساط خطی حرارتی برای همه جامدات قابل اعمال است. و ریل نیز از این قاعده مستثنی نیست. اما یک جزئیات وجود دارد. تغییر خطیاگر بدن تحت تأثیر نیروی اصطکاک قرار نگیرد آزادانه رخ می دهد. ریل ها به طور صلب به تراورس ها متصل شده و به ریل های مجاور جوش داده می شوند، بنابراین قانونی که تغییر طول را توصیف می کند، غلبه بر موانع را به صورت مقاومت های خطی و لب به لب در نظر می گیرد.
اگر ریل نتواند طول خود را تغییر دهد، با تغییر دما، تنش حرارتی در آن افزایش می‌یابد که هم می‌تواند آن را کشیده و هم فشرده کند. این پدیده توسط قانون هوک توصیف شده است.
