Znano je, da delci pod vplivom toplote pospešijo svoje kaotično gibanje. Če segrejete plin, se bodo molekule, ki ga sestavljajo, preprosto razpršile ena od druge. Segreta tekočina se bo najprej povečala v prostornini, nato pa bo začela izhlapevati. Kaj se bo zgodilo s trdnimi snovmi? Vsak od njih ne more spremeniti svojega agregacijskega stanja.
Definicija toplotne ekspanzije
Toplotna ekspanzija je sprememba velikosti in oblike teles s spremembo temperature. Matematično je mogoče izračunati koeficient volumetričnega raztezanja, ki omogoča napovedovanje obnašanja plinov in tekočin v spreminjajočih se zunanjih pogojih. Da bi dobili enake rezultate za trdne snovi, je treba upoštevati koeficient linearne ekspanzije. Fiziki so za tovrstno raziskavo izpostavili cel del in jo poimenovali dilatometrija.
Inženirji in arhitekti potrebujejo znanje o obnašanju različnih materialov pod vplivom visokih in nizkih temperatur za načrtovanje zgradb, polaganje cest in cevi.
razširitev plina
Termičnoširjenje plinov spremlja širjenje njihove prostornine v prostoru. To so že v starih časih opazili naravni filozofi, vendar je le sodobnim fizikom uspelo zgraditi matematične izračune.
Najprej so se znanstveniki začeli zanimati za širjenje zraka, saj se jim je zdela izvedljiva naloga. Tako vneto so se lotili posla, da so dobili precej nasprotujoče si rezultate. Seveda znanstvena skupnost s takšnim izidom ni bila zadovoljna. Natančnost meritve je bila odvisna od tega, kateri termometer je bil uporabljen, tlaka in številnih drugih pogojev. Nekateri fiziki so celo prišli do zaključka, da širjenje plinov ni odvisno od temperaturnih sprememb. Ali pa je ta odvisnost nepopolna…
Dela D altona in Gay-Lussaca
Fiziki bi se še naprej prepirali, dokler ne bi bili hripavi ali bi opustili meritve, če ne bi John D alton. On in drugi fizik, Gay-Lussac, sta lahko neodvisno pridobila enake meritvene rezultate ob istem času.
Lussac je poskušal najti razlog za toliko različnih rezultatov in opazil, da so nekatere naprave v času eksperimenta imele vodo. Seveda se je v procesu segrevanja spremenila v paro in spremenila količino in sestavo preučenih plinov. Zato je bila prva stvar, ki jo je znanstvenik naredil, temeljito posušil vse instrumente, s katerimi je izvedel poskus, in izključil celo minimalni odstotek vlage iz preučevanega plina. Po vseh teh manipulacijah se je prvih nekaj poskusov izkazalo za bolj zanesljivih.
D alton se je s to težavo ukvarjal dljenjegov kolega in rezultate objavil že na začetku 19. stoletja. Zrak je posušil s hlapi žveplove kisline in ga nato segrel. Po vrsti poskusov je John prišel do zaključka, da se vsi plini in para razširijo za faktor 0,376. Lussac je dobil številko 0,375. To je postal uradni rezultat študije.
Elastičnost vodne pare
Toplotna ekspanzija plinov je odvisna od njihove elastičnosti, to je od sposobnosti, da se vrnejo v prvotno prostornino. Ziegler je bil prvi, ki je to vprašanje raziskal sredi 18. stoletja. Toda rezultati njegovih poskusov so se preveč razlikovali. Zanesljivejše podatke je dobil James Watt, ki je uporabljal kotel za visoke temperature in barometer za nizke temperature.
Ob koncu 18. stoletja je francoski fizik Prony poskušal izpeljati eno samo formulo, ki bi opisala elastičnost plinov, vendar se je izkazala za preveč okorno in težko za uporabo. D alton se je odločil, da bo vse izračune preizkusil empirično in za to uporabil sifonski barometer. Kljub temu, da temperatura v vseh poskusih ni bila enaka, so bili rezultati zelo natančni. Zato jih je objavil kot tabelo v svojem učbeniku fizike.
Teorija izhlapevanja
Toplotno raztezanje plinov (kot fizikalna teorija) je doživelo različne spremembe. Znanstveniki so poskušali priti do dna procesov, s katerimi nastaja para. Tudi tu se je odlikoval znani fizik D alton. Domneval je, da je vsak prostor nasičen s plinsko paro, ne glede na to, ali je v tem rezervoarju.(prostor) kateri koli drug plin ali para. Zato je mogoče sklepati, da tekočina ne bo izhlapela samo s stikom z atmosferskim zrakom.
Tlak zračnega stolpca na površino tekočine poveča prostor med atomi, jih raztrga in izhlapi, torej prispeva k tvorbi pare. Toda gravitacija še naprej deluje na molekule hlapov, zato so znanstveniki izračunali, da atmosferski tlak ne vpliva na izhlapevanje tekočin.
Razširitev tekočin
Vzporedno s širjenjem plinov smo raziskovali toplotno raztezanje tekočin. Isti znanstveniki so se ukvarjali z znanstvenimi raziskavami. Za to so uporabili termometre, aerometre, komunikacijske posode in druge instrumente.
Vsi poskusi skupaj in vsak posebej so ovrgli D altonovo teorijo, da se homogene tekočine širijo sorazmerno s kvadratom temperature, na katero so segrete. Seveda, višja kot je temperatura, večja je prostornina tekočine, vendar med njo ni bilo neposredne povezave. Da, in stopnja ekspanzije vseh tekočin je bila različna.
Toplotna ekspanzija vode se na primer začne pri nič stopinjah Celzija in se nadaljuje, ko temperatura pade. Prej so bili takšni rezultati poskusov povezani z dejstvom, da se ne širi sama voda, ampak se posoda, v kateri se nahaja, zoži. Toda nekaj časa pozneje je fizik Deluca vseeno prišel do zaključka, da je treba vzrok iskati v sami tekočini. Odločil se je najti temperaturo največje gostote. Vendar mu zaradi zanemarjanja ni uspelonekaj podrobnosti. Rumforth, ki je preučeval ta pojav, je ugotovil, da je največja gostota vode opažena v območju od 4 do 5 stopinj Celzija.
Toplotna ekspanzija teles
Pri trdnih snoveh je glavni mehanizem ekspanzije sprememba amplitude vibracij kristalne mreže. Preprosto povedano, atomi, ki sestavljajo material in so med seboj togo povezani, začnejo »trepetati«.
Zakon toplotnega raztezanja teles je formuliran na naslednji način: vsako telo z linearno velikostjo L v procesu segrevanja za dT (delta T je razlika med začetno in končno temperaturo), se razširi za dL (delta L je izvod koeficienta linearnega toplotnega raztezanja glede na dolžino predmeta in temperaturno razliko). To je najpreprostejša različica tega zakona, ki privzeto upošteva, da se telo razširi v vse smeri hkrati. Toda za praktično delo se uporabljajo veliko bolj okorni izračuni, saj se v resnici materiali obnašajo drugače od tistih, ki so jih modelirali fiziki in matematiki.
Toplotna ekspanzija tirnice
Pri polaganju železniškega tira vedno sodelujejo fizični inženirji, saj lahko natančno izračunajo, kolikšna mora biti razdalja med tirnimi spoji, da se tiri pri segrevanju ali hlajenju ne deformirajo..
Kot že omenjeno, je toplotna linearna ekspanzija uporabna za vse trdne snovi. In tirnica ni izjema. Vendar obstaja ena podrobnost. Linearna spremembaprosto nastopi, če na telo ne vpliva sila trenja. Tirnice so togo pritrjene na pragove in privarjene na sosednje tirnice, zato zakon, ki opisuje spremembo dolžine, upošteva premagovanje ovir v obliki linearnih in zadnjičnih uporov.
Če tirnica ne more spremeniti svoje dolžine, se s spremembo temperature v njej poveča toplotna obremenitev, ki jo lahko tako raztegne kot stisne. Ta pojav opisuje Hookeov zakon.
