Ir zināms, ka siltuma ietekmē daļiņas paātrina to haotisko kustību. Ja jūs karsējat gāzi, tad molekulas, kas to veido, vienkārši izkliedēsies viena no otras. Uzkarsētais šķidrums vispirms palielinās tilpumu un pēc tam sāks iztvaikot. Kas notiks ar cietām vielām? Ne katrs no tiem var mainīt savu apkopojuma stāvokli.
Termiskās izplešanās definīcija
Termiskā izplešanās ir ķermeņu izmēra un formas izmaiņas, mainoties temperatūrai. Matemātiski ir iespējams aprēķināt tilpuma izplešanās koeficientu, kas ļauj prognozēt gāzu un šķidrumu uzvedību mainīgos ārējos apstākļos. Lai iegūtu tādus pašus rezultātus cietvielām, jāņem vērā lineārās izplešanās koeficients. Fiziķi ir izcēluši veselu sadaļu šāda veida pētījumiem un nosaukuši to par dilatometriju.
Inženieriem un arhitektiem ir nepieciešamas zināšanas par dažādu materiālu uzvedību augstas un zemas temperatūras ietekmē ēku projektēšanai, ceļu un cauruļu ieguldīšanai.
Gāzes paplašināšana
Siltumagāzu izplešanos pavada to tilpuma paplašināšanās telpā. To jau senatnē pamanīja dabas filozofi, taču tikai mūsdienu fiziķiem izdevās izveidot matemātiskos aprēķinus.
Pirmkārt, zinātnieki sāka interesēties par gaisa izplešanos, jo viņiem tas šķita izpildāms uzdevums. Viņi tik dedzīgi ķērās pie lietas, ka ieguva diezgan pretrunīgus rezultātus. Protams, zinātnieku sabiedrība nebija apmierināta ar šādu rezultātu. Mērījumu precizitāte bija atkarīga no izmantotā termometra, spiediena un dažādiem citiem apstākļiem. Daži fiziķi pat nonākuši pie secinājuma, ka gāzu izplešanās nav atkarīga no temperatūras izmaiņām. Vai arī šī atkarība ir nepilnīga…
D altona un Geja-Lussaka darbi
Fiziķi turpinātu strīdēties, līdz kļūst aizsmakuši, vai būtu atteikušies no mērījumiem, ja ne Džons D altons. Viņš un cits fiziķis Gay-Lussac spēja neatkarīgi iegūt vienādus mērījumu rezultātus vienlaikus.
Lussac mēģināja atrast iemeslu tik dažādiem rezultātiem un pamanīja, ka dažās ierīcēs eksperimenta laikā bija ūdens. Dabiski, ka karsēšanas procesā tas pārvērtās tvaikā un mainīja pētāmo gāzu daudzumu un sastāvu. Tāpēc pirmais, ko zinātnieks izdarīja, bija rūpīgi izžāvēt visus instrumentus, kurus viņš izmantoja eksperimenta veikšanai, un no pētāmās gāzes izslēgt pat minimālo mitruma procentu. Pēc visām šīm manipulācijām pirmie eksperimenti izrādījās ticamāki.
D altons ar šo problēmu pievērsās ilgāksavu kolēģi un rezultātus publicēja pašā 19. gadsimta sākumā. Viņš izžāvēja gaisu ar sērskābes tvaikiem un pēc tam uzsildīja. Pēc virknes eksperimentu Džons nonāca pie secinājuma, ka visas gāzes un tvaiki izplešas ar koeficientu 0,376. Lussac ieguva skaitli 0,375. Tas kļuva par oficiālo pētījuma rezultātu.
Ūdens tvaiku elastība
Gāzu termiskā izplešanās ir atkarīga no to elastības, tas ir, spējas atgriezties sākotnējā tilpumā. Cīgelers bija pirmais, kurš izmeklēja šo jautājumu astoņpadsmitā gadsimta vidū. Taču viņa eksperimentu rezultāti pārāk atšķīrās. Drošākus skaitļus ieguva Džeimss Vats, kurš izmantoja katlu augstām temperatūrām un barometru zemām temperatūrām.
18. gadsimta beigās franču fiziķis Pronijs mēģināja atvasināt vienu formulu, kas aprakstītu gāzu elastību, taču tā izrādījās pārāk apgrūtinoša un grūti lietojama. D altons nolēma visus aprēķinus pārbaudīt empīriski, šim nolūkam izmantojot sifona barometru. Neskatoties uz to, ka temperatūra nebija vienāda visos eksperimentos, rezultāti bija ļoti precīzi. Tāpēc viņš tos publicēja kā tabulu savā fizikas mācību grāmatā.
Iztvaikošanas teorija
Gāzu termiskā izplešanās (kā fizikālā teorija) ir piedzīvojusi dažādas izmaiņas. Zinātnieki mēģināja noskaidrot procesus, ar kuriem tiek ražots tvaiks. Šeit atkal izcēlās pazīstamais fiziķis D altons. Viņš izvirzīja hipotēzi, ka jebkura telpa ir piesātināta ar gāzes tvaikiem neatkarīgi no tā, vai tie atrodas šajā rezervuārā.(telpa) jebkura cita gāze vai tvaiks. Līdz ar to var secināt, ka šķidrums neiztvaiko, vienkārši nonākot saskarē ar atmosfēras gaisu.
Gaisa kolonnas spiediens uz šķidruma virsmu palielina atstarpi starp atomiem, tos sadalot un iztvaikojot, tas ir, veicina tvaika veidošanos. Taču gravitācija turpina iedarboties uz tvaiku molekulām, tāpēc zinātnieki aprēķināja, ka atmosfēras spiediens neietekmē šķidrumu iztvaikošanu.
Šķidrumu paplašināšana
Šķidrumu termiskā izplešanās tika pētīta paralēli gāzu izplešanās procesam. Tie paši zinātnieki nodarbojās ar zinātnisko izpēti. Lai to izdarītu, viņi izmantoja termometrus, aerometrus, sakaru traukus un citus instrumentus.
Visi eksperimenti kopā un katrs atsevišķi atspēkoja D altona teoriju, ka viendabīgi šķidrumi izplešas proporcionāli temperatūras kvadrātam, līdz kurai tie tiek uzkarsēti. Protams, jo augstāka temperatūra, jo lielāks ir šķidruma tilpums, taču starp to nebija tiešas attiecības. Jā, un visu šķidrumu izplešanās ātrums bija atšķirīgs.
Piemēram, ūdens termiskā izplešanās sākas pie nulles grādiem pēc Celsija un turpinās, temperatūrai pazeminoties. Iepriekš šādi eksperimentu rezultāti bija saistīti ar to, ka izplešas nevis pats ūdens, bet sašaurinās trauks, kurā tas atrodas. Bet kādu laiku vēlāk fiziķis Deluka tomēr nonāca pie secinājuma, ka cēlonis jāmeklē pašā šķidrumā. Viņš nolēma atrast tā lielākā blīvuma temperatūru. Tomēr nolaidības dēļ viņam tas neizdevāsdažas detaļas. Ramforts, kurš pētīja šo parādību, atklāja, ka maksimālais ūdens blīvums tiek novērots diapazonā no 4 līdz 5 grādiem pēc Celsija.
Ķermeņu termiskā izplešanās
Cietās vielās galvenais izplešanās mehānisms ir kristāla režģa vibrāciju amplitūdas izmaiņas. Vienkāršiem vārdiem sakot, atomi, kas veido materiālu un ir cieši saistīti viens ar otru, sāk “trīcēt”.
Ķermeņu termiskās izplešanās likums ir formulēts šādi: jebkurš ķermenis ar lineāru izmēru L karsēšanas procesā par dT (delta T ir starpība starp sākotnējo temperatūru un beigu temperatūru), izplešas par dL (delta L ir lineārās termiskās izplešanās koeficienta atvasinājums pēc objekta garuma un temperatūras starpības). Šī ir šī likuma vienkāršākā versija, kas pēc noklusējuma ņem vērā, ka ķermenis izplešas visos virzienos vienlaikus. Taču praktiskajam darbam tiek izmantoti daudz apgrūtinošāki aprēķini, jo patiesībā materiāli uzvedas savādāk nekā tie, ko modelējuši fiziķi un matemātiķi.
Sliedes termiskā izplešanās
Dzelzceļa sliežu ceļa ieklāšanā vienmēr ir iesaistīti fiziskie inženieri, jo viņi var precīzi aprēķināt, cik lielam attālumam jābūt starp sliežu savienojumiem, lai sliežu ceļi nedeformētos sildot vai atdzesējot.
Kā minēts iepriekš, termiskā lineārā izplešanās ir piemērojama visām cietajām vielām. Un dzelzceļš nav izņēmums. Bet ir viena detaļa. Lineāras izmaiņasbrīvi rodas, ja ķermeni neietekmē berzes spēks. Sliedes ir stingri piestiprinātas pie gulšņiem un metinātas pie blakus esošajām sliedēm, tāpēc likumā, kas apraksta garuma izmaiņas, ir ņemta vērā šķēršļu pārvarēšana lineāro un sadursmju pretestības veidā.
Ja sliede nevar mainīt savu garumu, tad, mainoties temperatūrai, tajā palielinās termiskais spriegums, kas var to gan izstiept, gan saspiest. Šo parādību apraksta Huka likums.
