تقریباً همه مواد (جامدها، مایعات و گازها) با گرم شدن منبسط می شوند و در هنگام خنک شدن منقبض می شوند. به انبساط یک ماده در هنگام گرم شدن، انبساط حرارتی آن ماده گفته می شود. سه نوع انبساط وجود دارد: خطی (افزایش طول)، سطحی (افزایش سطح) و انبساط مکعبی (افزایش حجم). جامدات شکل مشخصی دارند، بنابراین وقتی یک جامد گرم می شود در همه جهات منبسط می شود، یعنی طول، مساحت و حجم با گرم شدن افزایش می یابد. مایع و گازها فقط انبساط مکعبی را نشان می دهند. در هنگام گرم شدن، مایعات بیشتر از جامدات و گازها بسیار بیشتر از مایعات منبسط می شوند. در این درس قرار است یاد بگیرید:
با گرم کردن یک جامد، میانگین انرژی جنبشی مولکول های جامد افزایش می یابد. آنها شروع به ارتعاش در مورد موقعیت متوسط خود با یک دامنه بزرگ می کنند. نتیجه این است که موقعیت میانگین آنها به گونه ای تغییر می کند که جدایی بین مولکولی بین مولکول ها افزایش می یابد، بنابراین جامد در همه جهات منبسط می شود.
آزمایش: یک توپ فلزی و یک حلقه بردارید.
i) توپ و حلقه فلزی را مانند تصویر زیر بچینید (شکل a). وقتی هر دو در دمای اتاق هستند، توپ فلزی باید فقط از طریق حلقه بلغزد.
ii) اکنون توپ فلزی را روی یک مشعل گرم کنید (شکل b)
iii) حلقه را دوباره قرار دهید و سعی کنید توپ را از حلقه عبور دهید. متوجه خواهید شد که توپ گیر می کند.
دلیل: هنگام گرم شدن، توپ منبسط می شود و قطر آن بزرگتر می شود.
حالا اجازه دهید توپ خنک شود و دوباره سعی کنید توپ را از حلقه عبور دهید، متوجه خواهید شد که توپ اکنون از حلقه عبور می کند. این به این دلیل است که هنگام خنک شدن، توپ منقبض می شود.
بسط خطی
هر گاه در اثر گرما، طول جسم افزایش یابد، آن انبساط را انبساط خطی می نامند. اجازه دهید انبساط خطی را در یک میله فلزی در نظر بگیریم. افزایش طول میله فلزی هنگام گرم شدن به سه عامل زیر بستگی دارد:
توجه: افزایش طول میله در هنگام گرم شدن به توخالی یا جامد بودن آن بستگی ندارد
انبساط سطحی جامدات
هنگامی که یک صفحه فلزی گرم می شود، طول و عرض آن هر دو افزایش می یابد. این باعث افزایش سطح صفحه می شود. افزایش مساحت صفحه به موارد زیر بستگی دارد:
انبساط مکعبی جامدات
هنگامی که جامد گرم می شود، طول، عرض و ضخامت آن افزایش می یابد، بنابراین حجم آن افزایش می یابد. به طور تجربی مشاهده شده است که افزایش حجم یک جامد به موارد زیر بستگی دارد:
| اگر L 0 طول یک میله در 0 o C و طول آن در t o C L t باشد، افزایش طول به صورت L t - L 0 = L 0 α t است. α ضریب انبساط خطی است که به جنس میله بستگی دارد. واحد آن بر o C است |
| اگر A 0 مساحت صفحه در دمای 0 درجه سانتیگراد و مساحت آن در t o C برابر با A t باشد، افزایش مساحت به صورت A t - A 0 = A 0 β t داده می شود. β ضریب انبساط سطحی است که برای جامدات مختلف متفاوت است. |
| اگر V 0 حجم یک جامد در دمای 0 o C و مساحت آن در t o C برابر V t باشد، افزایش حجم به صورت V t - V 0 = V 0 γ t است. γ ضریب انبساط مکعبی است که برای مواد مختلف متفاوت است. |
رابطه بین α، β و γ: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
ضریب انبساط خطی برخی از جامدات
| ماده | ضریب انبساط خطی (x10 -6 در درجه سانتیگراد) |
| آلومینیوم | 24 |
| برنج | 19 |
| فلز مس | 17 |
| اهن | 12 |
| اینوار | 0.9 |
انبساط حرارتی جامدات در زندگی روزمره
1. ریل راه آهن: ریل ریل های راه آهن از فولاد ساخته شده است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، هنگام گذاشتن خطوط راه آهن بر روی کارخانه های چوبی یا بتنی، فاصله کوچکی بین طول متوالی ریل ها باقی می ماند. دلیل آن این است که در تابستان به دلیل افزایش دمای اتمسفر، طول هر ریل افزایش می یابد، بنابراین بین دو ریل فاصله ایجاد می شود، در غیر این صورت ریل به طرفین خم می شود.
2. کابل های برق و سیم های تلفن: کابل برق در خط انتقال برق و سیم های تلفن بین دو قطب ممکن است در زمستان به دلیل انقباض پاره شود و در تابستان به دلیل انبساط دچار افتادگی شود. بنابراین هنگام گذاشتن سیم بین دو قطب دقت می شود که در تابستان کمی شل نگه داشته شوند تا در زمستان در اثر انقباض پاره نشوند. و هنگام خواباندن آنها در زمستان جوراب شلواری نگه داشته می شود تا در تابستان در اثر انبساط زیاد آویزان نشوند.
3. ظروف شیشه ای مورد استفاده در آشپزخانه: ظروف شیشه ای مورد استفاده در آشپزخانه عموما از شیشه پیرکس ساخته می شوند. دلیل آن این است که شیشه پیرکس دارای ضریب انبساط مکعبی بسیار پایینی است، بنابراین ظروف شیشه ای هنگام گرم شدن منبسط نمی شوند و ترک می خورند.
مانند جامدات، مایعات نیز معمولاً با گرم شدن منبسط می شوند. مایعات هنگام گرم شدن بسیار بیشتر از جامدات منبسط می شوند. از آنجایی که مایع شکل مشخصی ندارد اما حجم مشخصی دارد، بنابراین مایعات فقط دارای انبساط مکعبی هستند.
استثناء: آب با گرم کردن آن از 0 درجه سانتیگراد به 4 درجه سانتیگراد منقبض می شود و پس از گرم شدن بیشتر از 4 درجه سانتیگراد منبسط می شود. به این حالت رفتار غیرعادی آب می گویند.
آزمایش: یک شیشه بردارید و سه چهارم آن را با آب پر کنید و در شیشه را ببندید. آن را روی شعله نگه دارید. متوجه خواهید شد که با گرم شدن آب بیشتر و بیشتر، سطح آب در شیشه بالا می رود.
نکته: وقتی مایعی که در ظرف است گرم می شود، ابتدا شیشه گرم می شود و به همین دلیل منبسط می شود و در نتیجه سطح مایع پایین می آید. پس از آن هنگامی که گرما به مایع می رسد، منبسط می شود، بنابراین سطح مایع بالا می رود. بنابراین، انبساط واقعی مایع بیشتر از انبساط مشاهده شده است.
عوامل موثر بر انبساط مکعبی یک مایع
انبساط مکعبی یک مایع به سه عامل زیر بستگی دارد:
اگر V 0 حجم مایع در 0 o C و V t حجم مایع در t o C باشد، افزایش حجم مایع به صورت داده می شود.
V t - V o = V 0 γ t
که γ ضریب انبساط مکعبی مایع است .
ضریب انبساط مکعبی برخی مایعات
| مایع | ضریب انبساط مکعبی γ (x10 -4 در هر درجه سانتیگراد) |
| سیاره تیر | 1.8 |
| آب (بالای 15 درجه سانتیگراد) | 3.7 |
| روغن پارافین | 9.0 |
| الکل | 11.0 |
کاربرد انبساط حرارتی مایعات در زندگی روزمره
انبساط حرارتی مایع در کار دماسنج جیوه ای استفاده می شود. دماسنج جیوه ای از یک لوله مویین با یک سر بسته و یک حباب استوانه ای در انتهای دیگر تشکیل شده است. لامپ پر از جیوه است. جیوه یک مایع براق است، بنابراین سطح آن را می توان به راحتی در لوله مویین مشاهده کرد. هنگامی که لامپ دماسنج در تماس با جسم داغ نگه داشته می شود، جیوه منبسط می شود. سطح جیوه در لوله مویرگی افزایش می یابد. لوله برای خواندن دما درجه بندی شده است. برای هر درجه سانتیگراد افزایش دما، جیوه به همان حجم منبسط می شود، بنابراین کالیبراسیون دماسنج آسان تر می شود.
گازها هنگام گرم شدن نیز منبسط می شوند. گازها بسیار بیشتر از مایعات و جامدات منبسط می شوند. مانند مایعات، گازها شکل مشخصی ندارند، بنابراین فقط انبساط مکعبی دارند. با این حال، گازهایی که در یک حجم ثابت هستند نمی توانند منبسط شوند - و بنابراین افزایش دما منجر به افزایش فشار می شود.
آزمایش: یک بطری خالی بردارید. یک بادکنک لاستیکی را به گردن آن وصل کنید. در ابتدا بادکنک تخلیه می شود. بطری را در یک حمام آب حاوی آب جوش قرار دهید. پس از مدتی متوجه خواهید شد که بادکنک همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است باد می شود. این نشان می دهد که هنگام گرم شدن، هوای محصور در بطری منبسط می شود و بالون را پر می کند تا بادکنک باد شود.
کاربرد انبساط حرارتی گازها در زندگی روزمره
بالون هوای داغ: بالون های هوای داغ بر اساس اصل تفاوت انبساط حرارتی بین گاز و جامد کار می کنند. از آنجایی که هوای گرم داخل کیسه بالون سریعتر از ظرف افزایش می یابد، کیسه را به گونه ای کش می دهد که منبسط شده و هوای سردتر (سنگین تر) را به بیرون از کیسه جابجا می کند. تفاوت بین چگالی هوای داخل و خارج کیسه، باعث بالا آمدن بالون می شود. خنک شدن هوای داخل کیسه باعث پایین آمدن بالون می شود.
هنگامی که یک ماده گرم می شود، حجم آن افزایش می یابد در حالی که جرم آن ثابت می ماند، بنابراین، چگالی ماده (که نسبت جرم به حجم آن است)، با افزایش دما کاهش می یابد. در مورد جامدات کاهش چگالی محسوس نیست اما در مورد مایعات و گازها با افزایش دما حجم آن به میزان قابل توجهی افزایش می یابد و بنابراین کاهش چگالی کاملا محسوس است.
