Det är känt att partiklar under påverkan av värme accelererar sin kaotiska rörelse. Om du värmer en gas kommer molekylerna som utgör den helt enkelt att spridas från varandra. Den uppvärmda vätskan ökar först i volym och börjar sedan avdunsta. Vad kommer att hända med fasta ämnen? Inte alla av dem kan ändra sitt aggregeringsläge.
Definition av termisk expansion
Termisk expansion är en förändring av kropparnas storlek och form med en förändring i temperaturen. Matematiskt är det möjligt att beräkna den volymetriska expansionskoefficienten, vilket gör det möjligt att förutsäga beteendet hos gaser och vätskor under förändrade yttre förhållanden. För att få samma resultat för fasta ämnen måste den linjära expansionskoefficienten beaktas. Fysiker har pekat ut ett helt avsnitt för den här typen av forskning och kallat det dilatometry.
Ingenjörer och arkitekter behöver kunskap om olika materials beteende under påverkan av höga och låga temperaturer för utformning av byggnader, förläggning av vägar och rör.
Gasexpansion
Termiskexpansionen av gaser åtföljs av expansionen av deras volym i rymden. Detta uppmärksammades av naturfilosofer i antiken, men bara moderna fysiker lyckades bygga matematiska beräkningar.
Först och främst blev forskare intresserade av luftens expansion, eftersom det tycktes dem vara en genomförbar uppgift. De kom igång så ivrigt att de fick ganska motsägelsefulla resultat. Naturligtvis var vetenskapssamfundet inte nöjda med ett sådant resultat. Mätningens noggrannhet berodde på vilken termometer som användes, trycket och en mängd andra förhållanden. Vissa fysiker har till och med kommit till slutsatsen att expansionen av gaser inte beror på temperaturförändringar. Eller är detta beroende ofullständigt…
Verk av D alton och Gay-Lussac
Fysiker skulle fortsätta att argumentera tills de är hesa eller skulle ha övergivit mätningar om inte John D alton. Han och en annan fysiker, Gay-Lussac, kunde oberoende av varandra erhålla samma mätresultat samtidigt.
Lussac försökte hitta orsaken till så många olika resultat och märkte att några av enheterna vid tiden för experimentet hade vatten. Naturligtvis, under uppvärmningsprocessen, förvandlades det till ånga och ändrade mängden och sammansättningen av de studerade gaserna. Därför var det första vetenskapsmannen gjorde att noggrant torka alla instrument som han använde för att genomföra experimentet och att utesluta även den minsta procentandelen fukt från gasen som studeras. Efter alla dessa manipulationer visade sig de första experimenten vara mer tillförlitliga.
D alton hanterade det här problemet längresin kollega och publicerade resultaten redan i början av 1800-talet. Han torkade luften med svavelsyraånga och värmde den sedan. Efter en serie experiment kom John till slutsatsen att alla gaser och ånga expanderar med en faktor 0,376. Lussac fick siffran 0,375. Detta blev det officiella resultatet av studien.
Elasticitet för vattenånga
Den termiska expansionen av gaser beror på deras elasticitet, det vill säga förmågan att återgå till sin ursprungliga volym. Ziegler var den första som undersökte denna fråga i mitten av 1700-talet. Men resultaten av hans experiment varierade för mycket. Mer tillförlitliga siffror erhölls av James Watt, som använde en kittel för höga temperaturer och en barometer för låga temperaturer.
I slutet av 1700-talet försökte den franska fysikern Prony härleda en enda formel som skulle beskriva gasernas elasticitet, men den visade sig vara för krånglig och svår att använda. D alton bestämde sig för att testa alla beräkningar empiriskt med hjälp av en sifonbarometer för detta. Trots att temperaturen inte var densamma i alla experiment var resultaten mycket exakta. Så han publicerade dem som en tabell i sin lärobok i fysik.
Evaporation theory
Den termiska expansionen av gaser (som en fysikalisk teori) har genomgått olika förändringar. Forskare försökte gå till botten med de processer genom vilka ånga produceras. Även här utmärkte sig den välkände fysikern D alton. Han antog att varje utrymme är mättat med gasånga, oavsett om det finns i denna reservoar(rum) annan gas eller ånga. Därför kan man dra slutsatsen att vätskan inte kommer att avdunsta bara genom att komma i kontakt med atmosfärisk luft.
Trycket från luftpelaren på vätskans yta ökar utrymmet mellan atomerna, sliter isär dem och avdunstar, det vill säga det bidrar till bildandet av ånga. Men gravitationen fortsätter att verka på ångmolekylerna, så forskare beräknade att atmosfärstrycket inte har någon effekt på avdunstning av vätskor.
Expansion av vätskor
Vätskors termiska expansion undersöktes parallellt med expansionen av gaser. Samma vetenskapsmän ägnade sig åt vetenskaplig forskning. För att göra detta använde de termometrar, aerometrar, kommunicerande fartyg och andra instrument.
Alla experiment tillsammans och var för sig motbevisade D altons teori om att homogena vätskor expanderar i proportion till kvadraten på den temperatur till vilken de värms upp. Naturligtvis, ju högre temperatur, desto större volym av vätskan, men det fanns inget direkt samband mellan den. Ja, och expansionshastigheten för alla vätskor var olika.
Vattnets termiska expansion börjar till exempel vid noll grader Celsius och fortsätter när temperaturen sjunker. Tidigare var sådana resultat av experiment förknippade med det faktum att det inte är vattnet i sig som expanderar, utan behållaren där det ligger smalnar av. Men en tid senare kom fysikern Deluca ändå till slutsatsen att orsaken borde sökas i själva vätskan. Han bestämde sig för att hitta temperaturen med dess största densitet. Han lyckades dock inte på grund av vanvårdnågra detaljer. Rumforth, som studerade detta fenomen, fann att den maximala densiteten för vatten observeras i intervallet från 4 till 5 grader Celsius.
Termisk expansion av kroppar
I fasta ämnen är den huvudsakliga expansionsmekanismen en förändring i amplituden av vibrationer i kristallgittret. Med enkla ord börjar atomerna som utgör materialet och som är fast förbundna med varandra att "darra".
Lagen för termisk expansion av kroppar är formulerad enligt följande: varje kropp med en linjär storlek L som håller på att värmas upp med dT (delta T är skillnaden mellan initi altemperaturen och sluttemperaturen), expanderar med dL (delta L är derivatan av koefficienten för linjär termisk expansion av objektets längd och temperaturskillnad). Detta är den enklaste versionen av denna lag, som som standard tar hänsyn till att kroppen expanderar i alla riktningar samtidigt. Men för praktiskt arbete används mycket mer besvärliga beräkningar, eftersom material i verkligheten beter sig annorlunda än de som modellerats av fysiker och matematiker.
Termisk expansion av skenan
Fysikingenjörer är alltid inblandade i att lägga järnvägsspåret, eftersom de exakt kan beräkna hur stort avstånd som ska vara mellan rälsskarvarna så att spåren inte deformeras vid uppvärmning eller kylning.
Som nämnts ovan är termisk linjär expansion tillämplig på alla fasta ämnen. Och skenan är inget undantag. Men det finns en detalj. Linjär förändringuppstår fritt om kroppen inte påverkas av friktionskraften. Skenorna är stelt fästa i sliprarna och svetsade till intilliggande skenor, så lagen som beskriver längdförändringen tar hänsyn till att hinder i form av linjär- och stummotstånd kan övervinnas.
Om en skena inte kan ändra sin längd, så ökar termisk spänning i den med en temperaturförändring, vilket kan både sträcka och komprimera den. Detta fenomen beskrivs av Hooke's Law.
