تتوسع جميع المواد تقريبًا (المواد الصلبة والسوائل والغازات) عند التسخين وتتقلص عند التبريد. يسمى تمدد المادة عند التسخين بالتمدد الحراري لتلك المادة. هناك ثلاثة أنواع من التمدد: خطي (زيادة في الطول) ، سطحي (زيادة في المساحة) ، وتمدد تكعيبي (زيادة في الحجم). المواد الصلبة لها شكل محدد ، لذلك عندما يتم تسخين المادة الصلبة ، فإنها تتمدد في جميع الاتجاهات ، أي الطول ، والمساحة ، والحجم كلها تزداد عند التسخين. يظهر السائل والغازات تمددًا تكعيبيًا فقط. عند التسخين ، تتمدد السوائل أكثر من المواد الصلبة وتتوسع الغازات أكثر بكثير من السوائل. ستتعلم في هذا الدرس:
عند تسخين مادة صلبة ، يزداد متوسط الطاقة الحركية لجزيئات المادة الصلبة. يبدأون في الاهتزاز حول متوسط موضعهم بسعة كبيرة. والنتيجة هي أن متوسط موضعها يتغير بحيث يزداد الفصل بين الجزيئات ، وبالتالي يتمدد الصلب في جميع الاتجاهات.
التجربة: خذ كرة معدنية وخاتم.
ط) رتب الكرة المعدنية والحلقة كما هو موضح في الصورة أدناه (الشكل أ). يجب أن تنزلق الكرة المعدنية عبر الحلقة عندما يكون كلاهما في درجة حرارة الغرفة.
ب) الآن قم بتسخين الكرة المعدنية على الموقد (الشكل ب)
ج) ضع الحلقة مرة أخرى وحاول تمرير الكرة عبر الحلقة. ستلاحظ أن الكرة عالقة.
السبب: عند التسخين ، تتمدد الكرة ويصبح قطرها أكبر.
الآن دع الكرة تبرد وحاول مرة أخرى تمرير الكرة عبر الحلقة ، ستلاحظ أن الكرة تمر الآن عبر الحلقة. هذا لأنه عند التبريد ، تنقبض الكرة.
التوسع الخطي
عندما يكون هناك زيادة في طول الجسم بسبب التسخين ، فإن التمدد يسمى التمدد الخطي. دعونا نفكر في التمدد الخطي في قضيب معدني. تعتمد الزيادة في طول القضيب المعدني عند التسخين على العوامل الثلاثة التالية:
ملحوظة: لا تعتمد زيادة طول القضيب عند التسخين على كونه مجوفًا أو صلبًا
التوسع السطحي للمواد الصلبة
عندما يتم تسخين الصفيحة المعدنية ، يزداد طولها وعرضها. هذا يزيد من مساحة اللوحة. تعتمد الزيادة في مساحة اللوحة على:
التوسع التكعيبي للمواد الصلبة
عندما يتم تسخين المادة الصلبة ، يزداد طولها وعرضها وسمكها ، وبالتالي يزداد حجمها. من الناحية التجريبية ، لوحظ أن الزيادة في حجم المادة الصلبة تعتمد على:
| إذا كان L 0 هو طول قضيب عند 0 o C وطوله عند t o C هو L t ، فإن الزيادة في الطول تُعطى على النحو التالي L t - L 0 = L 0 α t α هو معامل التمدد الخطي الذي يعتمد على مادة القضيب. وحدتها لكل درجة مئوية |
| إذا كانت A 0 هي مساحة لوحة عند 0 o C ومساحتها عند t o C تساوي A t ، فإن الزيادة في المساحة تُعطى على النحو التالي A t - A 0 = A 0 β t β هو معامل التمدد السطحي الذي يختلف باختلاف المواد الصلبة. |
| إذا كان V 0 هو حجم مادة صلبة عند 0 o C ومساحتها عند t o C تساوي V t ، فإن الزيادة في الحجم تُعطى على النحو التالي V t - V 0 = V 0 γ t γ هو معامل التمدد التكعيبي الذي يختلف باختلاف المواد. |
العلاقة بين α و β و γ: α: β: γ = 1: 2: 3 |
معامل التمدد الخطي لبعض المواد الصلبة
| مستوى | معامل التمدد الخطي (× 10-6 لكل درجة مئوية) |
| الألومنيوم | 24 |
| نحاس | 19 |
| نحاس | 17 |
| حديد | 12 |
| Invar | 0.9 |
التمدد الحراري للمواد الصلبة في الحياة اليومية
1. خطوط السكك الحديدية: قضبان السكك الحديدية مصنوعة من الفولاذ. أثناء وضع خطوط السكك الحديدية على النباتات الخشبية أو الخرسانية ، تُترك فجوة صغيرة بين الطول المتتالي للقضبان كما هو موضح في الشكل أدناه. والسبب هو أنه في الصيف بسبب ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي ، تميل كل سكة حديدية إلى الزيادة في طولها ، لذلك تُترك فجوة بين القضبان ، وإلا فإن السكة تنحني بشكل جانبي.
2. الكابلات الكهربائية وأسلاك الهاتف: قد ينكسر الكبل الكهربائي في خط نقل الطاقة وأسلاك الهاتف بين قطبين في الشتاء بسبب الانكماش وقد ينخفض في الصيف بسبب التمدد. لذلك ، أثناء وضع السلك بين قطبين ، يتم الحرص على تركها فضفاضة قليلاً في الصيف حتى لا تنكسر في الشتاء بسبب الانكماش. وأثناء وضعها في الشتاء ، يتم إبقائها ضيقة حتى لا تتدلى كثيرًا في الصيف بسبب التوسع.
3. الأواني الزجاجية المستخدمة في المطبخ: عادة ما تكون الأواني الزجاجية المستخدمة في المطبخ مصنوعة من زجاج البيركس. والسبب هو أن زجاج البيركس له معامل تمدد تكعيبي منخفض جدًا ، وبالتالي فإن الأواني الزجاجية عند التسخين لا تتمدد وتتشقق.
مثل المواد الصلبة ، عادة ما تتمدد السوائل عند التسخين. تتوسع السوائل أكثر بكثير من المواد الصلبة عند تسخينها. نظرًا لأن السائل ليس له شكل محدد ولكن له حجم محدد ، وبالتالي فإن السوائل لها تمدد تكعيبي فقط.
الاستثناء: تتعاقد المياه عند تسخينها من 0 درجة مئوية إلى 4 درجات مئوية ثم بعد ذلك تتعدى 4 درجات مئوية عند تسخينها مرة أخرى. وهذا ما يسمى السلوك الشاذ للماء.
التجربة: خذ جرة واملأ الجزء الثالث بالماء وأغلق البرطمان. يبقيه على اللهب. ستلاحظ أنه مع تسخين الماء أكثر فأكثر ، يرتفع مستوى الماء في البرطمان.
ملحوظة: عندما يتم تسخين السائل الموجود في الجرة ، يتم تسخين الجرة أولاً وبالتالي يتمدد بسبب انخفاض مستوى السائل. بعد ذلك عندما تصل الحرارة إلى السائل سوف تتمدد ، وبالتالي سيرتفع مستوى السائل. وبالتالي ، فإن التمدد الحقيقي للسائل هو أكثر من التمدد الملحوظ.
العوامل التي تؤثر على التمدد التكعيبي للسائل
يعتمد التمدد التكعيبي للسائل على العوامل الثلاثة التالية:
إذا كان V 0 هو حجم السائل عند 0 o C و V t حجم السائل عند t o C ، فإن الزيادة في حجم السائل تُعطى على النحو التالي
V t - V o = V 0 γ t
أين γ هي معامل التمدد التكعيبي للسائل .
معامل التمدد التكعيبي لبعض السوائل
| سائل | معامل التمدد التكعيبي γ (× 10 -4 لكل درجة مئوية) |
| الزئبق | 1.8 |
| ماء (فوق 15 درجة مئوية) | 3.7 |
| زيت البارافين | 9.0 |
| كحول | 11.0 |
تطبيق التمدد الحراري للسوائل في الحياة اليومية
يستخدم التمدد الحراري للسائل في عمل مقياس حرارة الزئبق. يتكون مقياس الحرارة الزئبقي من أنبوب شعري مع إغلاق أحد طرفيه ومصباح أسطواني في الطرف الآخر. اللمبة مليئة بالزئبق. الزئبق سائل لامع ، لذا يمكن رؤية مستواه بسهولة في الأنبوب الشعري. عندما تظل لمبة مقياس الحرارة على اتصال بجسم ساخن ، يتمدد الزئبق. يرتفع مستوى الزئبق في الأنبوب الشعري. الأنبوب متخرج لقراءة درجة الحرارة. لكل ارتفاع درجة مئوية في درجة الحرارة ، يتمدد الزئبق بنفس الحجم ، وبالتالي تصبح معايرة مقياس الحرارة أسهل.
تتوسع الغازات أيضًا عند تسخينها. تتوسع الغازات أكثر بكثير من السوائل والمواد الصلبة. مثل السوائل ، ليس للغازات شكل محدد ، لذا فهي تمتلك أيضًا تمددًا تكعيبيًا فقط. ومع ذلك ، فإن الغازات الموجودة في حجم ثابت لا يمكن أن تتمدد - وبالتالي تؤدي الزيادات في درجة الحرارة إلى زيادة الضغط.
التجربة: خذ زجاجة فارغة. اربط بالونًا مطاطيًا في رقبته. في البداية ، يكون البالون مفرغًا من الهواء. ضع الزجاجة في حمام مائي يحتوي على ماء مغلي. بعد مرور بعض الوقت ستلاحظ أن البالون ينتفخ كما هو موضح في الشكل أدناه. يوضح هذا أنه عند التسخين ، يتمدد الهواء الموجود في الزجاجة ويملأ البالون حتى ينتفخ البالون.
تطبيق التمدد الحراري للغازات في الحياة اليومية
منطاد الهواء الساخن: تعمل بالونات الهواء الساخن على مبدأ فرق التمدد الحراري بين الغاز والمادة الصلبة. نظرًا لأن الهواء الساخن داخل كيس البالون يزداد حجمًا أسرع من الحاوية ، فإنه يمد الكيس بحيث يتمدد ويزيل الهواء البارد (الأثقل) خارج الكيس. يؤدي الاختلاف بين كثافة الهواء داخل الكيس وخارجه إلى ارتفاع البالون. يؤدي تبريد الهواء داخل الكيس إلى نزول البالون.
عندما يتم تسخين مادة ما ، يزداد حجمها بينما تظل كتلتها كما هي ، وبالتالي تقل كثافة المادة (كونها نسبة الكتلة إلى حجمها) مع زيادة درجة الحرارة. في حالة المواد الصلبة ، لا يكون الانخفاض في الكثافة ملحوظًا ولكن في حالة السوائل والغازات ، حيث تزيد درجة الحرارة من الحجم بمقدار ملموس ، وبالتالي يكون الانخفاض في الكثافة ملحوظًا تمامًا.
