Toplinska ekspanzija krutina i tekućina

Poznato je da pod djelovanjem topline čestice ubrzavaju svoje kaotično gibanje. Ako zagrijavate plin, molekule koje ga čine jednostavno se rastaju. Grijana tekućina prvo će povećati volumen i tada će početi isparavati. A što će se dogoditi čvrstim tijelima? Nisu svaka od njih mogu mijenjati svoje agregatno stanje.

Termička ekspanzija: definicija

Termička ekspanzija je promjena veličine i oblika tijela kada se temperatura mijenja. Matematički je moguće izračunati koeficijent ekspanzije volumena koji omogućuje predviđanje ponašanja plinova i tekućina pri promjeni vanjskih uvjeta. Da bi se dobili isti rezultati za krute tvari, potrebno je uzeti u obzir koeficijent linearne ekspanzije. Fizičari su identificirali cijeli dio ove vrste istraživanja i nazvali ga dilatometrijom.

Inženjeri i arhitekti trebaju znanje o ponašanju različitih materijala pod utjecajem visoke i niske temperature za projektiranje zgrada, cesta i cijevi.

Proširenje plinova

Toplinska ekspanzija plinova prati povećanje volumena u prostoru. Prirodni filozofi primijetili su to u davnim vremenima, ali samo moderni fizičari uspjeli su izraditi matematičke izračune.

Prije svega, znanstvenici su bili zainteresirani za širenje zraka, jer im se činilo izvedivim zadatkom. Oni su se toliko revno angažirali u poslovanju da su imali prilično proturječne rezultate. Naravno, znanstvena zajednica nije zadovoljila takav ishod. Točnost mjerenja ovisi o upotrijebljenom termometru, tlaku i mnogim drugim uvjetima. Neki fizičari čak su došli do zaključka da ekspanzija plinova ne ovisi o promjenama temperature. Ili ta ovisnost nije dovršena ...

Radovi Daltona i Gay-Lussaca

Fizičari bi nastavili raspravljati dok nisu bili promukli, ili bi zanemarili mjerenja, ako ne i za John Dalton. On i još jedan fizičar, Gay-Lussac, istodobno međusobno neovisno, uspjeli su dobiti iste mjerne rezultate.

Lussac je pokušavao pronaći razlog za toliko različitih rezultata i primijetio da je u nekim uređajima u vrijeme eksperimenta bilo vode. Naravno, tijekom procesa grijanja pretvorio se u paru i promijenio količinu i sastav plinova koji se proučavaju. Stoga je prva stvar koju je znanstvenik učinio bio pažljivo osušiti sve instrumente kojima je proveo eksperiment i eliminirao čak i najmanji postotak vlage iz proučavanog plina. Nakon svih ovih manipulacija, prvih nekoliko eksperimenata pokazalo se pouzdanim.

Dalton se bavio tim pitanjem dulje nego njegov kolega i objavio rezultate čak i na samom početku XIX stoljeća. Osušio je zrak parama sumporne kiseline, a zatim je zagrijavao. Nakon niza eksperimenata, Ivan je došao do zaključka da se svi plinovi i pare širuju koeficijentom od 0,376. Lussacov broj bio je 0,375. Ovo je bio službeni rezultat studije.

Elastičnost vodene pare

Toplinska ekspanzija plinova ovisi o njihovoj elastičnosti, odnosno sposobnosti vraćanja na izvorni volumen. Prvi koji je proučavao taj problem bio je Ziegler sredinom osamnaestog stoljeća. Ali rezultati njegovih eksperimenata bili su previše različiti. Primljene su pouzdanije brojke James Watt, koji su koristili kotao za visoke temperature i barometar za niske temperature.

Krajem 18. stoljeća francuski fizičar Prony pokušao je izvući jednu formulu koja bi opisivala elastičnost plinova, ali pokazala se prevelikom i teškom uporabom. Dalton je odlučio eksperimentalno testirati sve izračune pomoću barometra sifona za to. Unatoč činjenici da temperatura nije bila ista u svim eksperimentima, rezultati su bili vrlo precizni. Stoga ih je objavio u obliku stola u svom udžbeniku o fizici.

Teorija isparavanja

Termička ekspanzija plinova (kao fizička teorija) prošla je kroz različite promjene. Znanstvenici su pokušali doći do suštine procesa u kojima se stvara para. Ovdje opet ističe već poznati fizičar Dalton. Pretpostavljao je da je svaki prostor zasićen plinovitim parama, bez obzira na to je li u ovom spremniku (soba) prisutan bilo koji drugi plin ili para. Prema tome, može se zaključiti da tekućina neće ispariti, jednostavno dolaze u dodir s atmosferskim zrakom.

Tlak stupca zraka na površini tekućine povećava prostor između atoma, razdvaja ih i isparava, tj. Pridonosi formiranju pare. No sila gravitacije i dalje djeluje na molekule pare, pa su znanstvenici smatrali da atmosferski tlak ne utječe na isparavanje tekućina.

Proširenje tekućina

Toplinska ekspanzija tekućina ispitivana je paralelno s ekspanzijom plinova. Znanstvena istraživanja provodili su isti znanstvenici. Da bi to učinili, koristili su termometri, aerometri, komunicirajući plovila i druge instrumente.

Svi pokusi zajedno i svaki zasebno pobijaju Daltonovu teoriju da se homogene tekućine šire proporcionalno kvadratu temperature na kojoj se zagrijavaju. Naravno, što je temperatura veća, to je veći volumen tekućine, ali nije bilo izravnog odnosa između njega. I brzina ekspanzije za sve tekućine bila je drugačija.

Toplinska ekspanzija vode, na primjer, počinje od nula stupnjeva Celzija i nastavlja se s padom temperature. Prethodno, ovi rezultati eksperimenata bili su povezani s činjenicom da se sama voda ne širi, ali kapacitet u kojem se nalazi sužava. Ali neko vrijeme kasnije, fizičar Delyuk ipak je došao do zaključka da se uzrok treba tražiti u samoj tekućini. Odlučio je pronaći temperaturu svoje najveće gustoće. Međutim, to nije uspjelo zbog zanemarivanja pojedinih pojedinosti. Rumfort, koji je proučavao taj fenomen, otkrio je da se maksimalna gustoća vode promatra u rasponu od 4 do 5 stupnjeva Celzijusa.

Toplinska ekspanzija tijela

U krutinama, glavni mehanizam ekspanzije je promjena amplitude vibracija kristalne rešetke. Jednostavnim riječima, atomi koji čine materijal i čvrsto se prilijepljeni međusobno počinju "drhtati".

Zakon toplinskih organa ekspanzije formuliranih na slijedeći način: svaki je tijelo s linearnim dimenzija L u procesu zagrijavanja na dT (delta T - razlika između početne temperature i konačno) prošireno po količini dL (delta L - derivat koeficijenta linearnog toplinskog rastezanja dužine objekta i razlika temperatura). Ovo je najjednostavnija inačica ovog zakona, koja prema zadanim postavkama uzima u obzir da se tijelo širi odmah u svim smjerovima. Ali za praktičnom radu mnogo težak izračune, jer u stvarnosti, materijali ne ponašaju kao simulirani fizike i matematike.

Toplinska ekspanzija željeznice

Za polaganje željezničke pruge, fizičari su uvijek privučeni jer mogu točno izračunati udaljenost između zglobova tračnica, tako da kada se grije ili ohladi, putovi se ne deformiraju.

Kao što je već gore spomenuto, termička linearna ekspanzija primjenjiva je za sve krute tvari. A tračnica nije bila iznimka. Ali postoji jedan detalj. Linearna promjena se javlja ako tijelo ne utječe na trenje. Tračnice su čvrsto pričvršćene za pragove i zavarene na susjedne tračnice, pa zakon koji opisuje promjenu duljine uzima u obzir prevladavanje prepreka u obliku otpora trčanja i udaranja.

Ako željeznička traka ne može mijenjati svoju duljinu, onda se promjenom temperature povećava toplinski stres u njemu, koji se može protezati i komprimirati. Taj fenomen opisuje Hookeov zakon.