लगभग सबै पदार्थहरू (ठोस, तरल पदार्थ, र ग्याँसहरू) तापमा विस्तार हुन्छन् र चिसोमा संकुचित हुन्छन्। तापक्रममा कुनै पदार्थको विस्तारलाई त्यस पदार्थको थर्मल विस्तार भनिन्छ। त्यहाँ तीन प्रकारका विस्तारहरू छन्: रेखीय (लम्बाइमा वृद्धि), सतही (क्षेत्रमा वृद्धि), र घनीय विस्तार (भोल्युममा वृद्धि)। ठोसको निश्चित आकार हुन्छ, त्यसैले ठोसलाई तताउँदा यो सबै दिशामा विस्तार हुन्छ अर्थात् लम्बाइ, क्षेत्रफल र भोल्युम सबै तापमा बढ्छ। तरल र ग्यासहरूले मात्र घनीय विस्तार देखाउँछन्। तताउँदा, तरल पदार्थहरू ठोस भन्दा बढि विस्तार हुन्छ र ग्यासहरू तरल पदार्थ भन्दा धेरै विस्तार हुन्छन्। यस पाठमा, तपाइँ सिक्न जाँदै हुनुहुन्छ:
ठोस तताउँदा, ठोस अणुहरूको औसत गतिज ऊर्जा बढ्छ। तिनीहरू ठूलो आयामको साथ आफ्नो औसत स्थितिको बारेमा कम्पन सुरु गर्छन्। नतिजा यो हो कि तिनीहरूको औसत स्थिति परिवर्तन हुन्छ कि अणुहरू बीच अन्तर-आणविक विभाजन बढ्छ, यसरी ठोस सबै दिशाहरूमा विस्तार हुन्छ।
प्रयोग: धातुको बल र औंठी लिनुहोस्।
i) तलको चित्रमा देखाइए अनुसार धातुको बल र घण्टी मिलाउनुहोस् (चित्र ए)। दुबै कोठाको तापक्रममा हुँदा धातुको बल रिंगबाट मात्र चिप्लनु पर्छ।
ii) अब धातुको बललाई बर्नरमा तताउनुहोस् (चित्र ख)
iii) फेरि औंठी राख्नुहोस् र बललाई औंठीबाट पार गर्ने प्रयास गर्नुहोस्। तपाईंले याद गर्नुहुनेछ कि बल अड्किएको छ।
कारण: तताउँदा, बल विस्तार हुन्छ र व्यासमा ठूलो हुन्छ।
अब बललाई चिसो हुन दिनुहोस् र फेरि बललाई औंठी मार्फत पास गर्ने प्रयास गर्नुहोस्, तपाईंले याद गर्नुहुनेछ कि बल अब रिंग मार्फत जान्छ। यो किनभने चिसो हुँदा, बल संकुचित हुन्छ।
रैखिक विस्तार
तापको कारणले जब कुनै शरीरको लम्बाइ बढ्छ तब विस्तारलाई रेखीय विस्तार भनिन्छ। एक धातु रड मा रेखीय विस्तार विचार गरौं। तताउने क्रममा धातुको रडको लम्बाइमा हुने वृद्धि निम्न तीन कारकहरूमा निर्भर गर्दछ:
नोट: तताउँदा रडको लम्बाइ बढ्नु यो खोक्रो वा ठोस हो भन्नेमा निर्भर हुँदैन
ठोस को सतही विस्तार
धातुको प्लेट तताउँदा यसको लम्बाइ र चौडाइ दुवै बढ्छ। यसले प्लेटको क्षेत्रफल बढाउँछ। प्लेट को क्षेत्र मा वृद्धि मा निर्भर गर्दछ:
ठोसको घनीय विस्तार
जब ठोस तताइन्छ, यसको लम्बाइ, चौडाइ र मोटाई सबै बढ्छ, यसरी भोल्युममा वृद्धि हुन्छ। प्रयोगात्मक रूपमा यो देखियो कि ठोस को मात्रा मा वृद्धि निर्भर गर्दछ:
| यदि L 0 0 o C मा रडको लम्बाइ हो र t o C मा यसको लम्बाइ L t हो भने, लम्बाइमा भएको वृद्धिलाई L t - L 0 = L 0 α t भनिन्छ। α रैखिक विस्तारको गुणांक हो जुन रडको सामग्रीमा निर्भर गर्दछ। यसको एकाइ प्रति ओ सी हो |
| यदि A 0 0 o C मा प्लेटको क्षेत्रफल हो र t o C मा यसको क्षेत्रफल A t हो, तब क्षेत्रफलको वृद्धिलाई A t - A 0 = A 0 β t भनिन्छ। β सतही विस्तारको गुणांक हो जुन विभिन्न ठोसहरूका लागि फरक हुन्छ। |
| यदि V 0 0 o C मा ठोसको आयतन हो र t o C मा यसको क्षेत्र V t हो भने, भोल्युममा भएको वृद्धिलाई V t - V 0 = V 0 γ t भनिन्छ। γ घनीय विस्तार को गुणांक हो जुन विभिन्न सामग्रीहरु को लागी फरक छ। |
α, β र γ बीचको सम्बन्ध: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
केही ठोसहरूको रैखिक विस्तारको गुणांक
| पदार्थ | रैखिक विस्तारको गुणांक (x 10 -6 प्रति o C) |
| एल्युमिनियम | २४ |
| पीतल | १९ |
| तामा | १७ |
| फलाम | १२ |
| इन्वार | ०.९ |
दैनिक जीवनमा ठोस पदार्थहरूको थर्मल विस्तार
1. रेलवे ट्र्याकहरू: रेलवे ट्र्याकहरूको रेलहरू स्टीलले बनेका हुन्छन्। काठ वा कंक्रीट बिरुवाहरूमा रेलवे ट्र्याकहरू बिछ्याउँदा, तलको चित्रमा देखाइए अनुसार रेलहरूको क्रमिक लम्बाइको बीचमा सानो खाडल छोडिन्छ। कारण के हो भने, गर्मीमा वायुमण्डलीय तापक्रमको वृद्धिका कारण प्रत्येक रेल यसको लम्बाइमा बढ्छ, त्यसैले दुई रेलहरू बीच एक अन्तर छोडिन्छ, अन्यथा, रेल छेउमा झुक्नेछ।
२. बिजुलीका तार र टेलिफोनका तारहरू: बिजुलीको प्रसारण लाइनमा रहेको बिजुलीको तार र दुई पोलहरू बीचको टेलिफोनको तार जाडोमा संकुचनका कारण भाँचिन सक्छ र विस्तारको कारण गर्मीमा सुक्न सक्छ। त्यसैले दुईवटा पोलको बीचमा तार लगाउँदा गर्मीमा अलिकति ढिलो राखिने गरी हिउँदमा संकुचन भएर भाँचिन नपरोस् भन्ने कुरामा ध्यान दिइन्छ । र जाडोमा बिछ्याउँदा, तिनीहरूलाई टाइट राखिएको छ ताकि तिनीहरू विस्तारको कारण गर्मीमा धेरै ढल्न नपरोस्।
3. भान्साकोठामा प्रयोग हुने काँचका भाँडाहरू: भान्साकोठामा प्रयोग हुने काँचका भाँडाहरू सामान्यतया पाइरेक्स गिलासबाट बनेका हुन्छन्। कारण यो हो कि पाइरेक्स गिलासमा क्यूबिकल विस्तारको धेरै कम गुणांक छ, त्यसैले तताउने गिलासको भाँडो विस्तार हुँदैन र क्र्याक हुन्छ।
ठोस जस्तै, तरल पदार्थ पनि सामान्यतया तताउने क्रममा विस्तार हुन्छ। तरल पदार्थ तताउँदा ठोस भन्दा धेरै विस्तार हुन्छ। तरल पदार्थको निश्चित आकार हुँदैन तर निश्चित मात्रा हुन्छ, त्यसैले तरल पदार्थको घनत्व मात्र हुन्छ।
अपवाद: पानीलाई ० o C देखि 4 o C सम्म तताउँदा पानी संकुचित हुन्छ र त्यसपछि 4 o C माथि थप ताप्दा यो विस्तार हुन्छ। यसलाई पानीको असामान्य व्यवहार भनिन्छ।
प्रयोग: एउटा जार लिनुहोस्, तीन-चौथाई भाग पानीले भर्नुहोस्, र जार बन्द गर्नुहोस्। यसलाई आगोमा राख्नुहोस्। तपाईंले याद गर्नुहुनेछ कि जति धेरै पानी तताइन्छ, जारमा पानीको स्तर बढ्छ।
नोट: जब जारमा रहेको तरल पदार्थ तताइन्छ, पहिले जार तातो हुन्छ र यसरी विस्तार हुन्छ जसको कारण तरलको स्तर घट्छ। त्यसपछि जब तातो तरलमा पुग्छ यो विस्तार हुनेछ, त्यसैले तरल स्तर बढ्नेछ। यसरी, तरल पदार्थको वास्तविक विस्तार अवलोकन गरिएको विस्तार भन्दा बढी छ।
तरल पदार्थको घनीय विस्तारलाई असर गर्ने कारकहरू
तरल पदार्थको घनीय विस्तार निम्न तीन कारकहरूमा निर्भर गर्दछ:
यदि V 0 0 o C मा तरल पदार्थको आयतन हो र V t तरलको मात्रा t o C मा हो भने, तरलको आयतनमा भएको वृद्धिलाई निम्न रूपमा दिइन्छ।
V t - V o = V 0 γ t
जहाँ γ तरलको घनीय विस्तारको गुणांक हो ।
केहि तरल पदार्थ को घन विस्तार को गुणांक
| तरल | घन विस्तार को गुणांक γ ( x 10 -4 प्रति o C) |
| बुध | १.८ |
| पानी (१५ डिग्री सेल्सियस माथि) | ३.७ |
| प्याराफिन तेल | ९.० |
| रक्सी | ११.० |
दैनिक जीवनमा तरल पदार्थ को थर्मल विस्तार को आवेदन
पारा थर्मोमिटरको काममा तरल पदार्थको थर्मल विस्तार प्रयोग गरिन्छ। मर्करी थर्मोमिटरमा एउटा छेउ बन्द भएको केशिका ट्यूब र अर्को छेउमा बेलनाकार बल्ब हुन्छ। बल्ब पारा भरिएको छ। बुध एक चम्किलो तरल पदार्थ हो, त्यसैले यसको स्तर केशिका ट्यूबमा सजिलै देख्न सकिन्छ। जब थर्मोमिटरको बल्ब तातो शरीरको सम्पर्कमा राखिन्छ, पारा विस्तार हुन्छ। केशिका नलीमा पाराको स्तर बढ्छ। ट्यूब तापमान पढ्न स्नातक गरिएको छ। तापक्रममा प्रत्येक डिग्री सेल्सियस वृद्धिको लागि, पारा समान मात्रामा विस्तार हुन्छ, त्यसैले थर्मोमिटरको क्यालिब्रेसन सजिलो हुन्छ।
ग्यासहरू तताउँदा पनि विस्तार हुन्छ। ग्यासहरू तरल र ठोस भन्दा धेरै विस्तारित हुन्छन्। तरल पदार्थहरू जस्तै, ग्यासहरूको निश्चित आकार हुँदैन, त्यसैले तिनीहरूको पनि केवल घन विस्तार हुन्छ। यद्यपि, निश्चित मात्रामा निहित ग्यासहरू विस्तार गर्न सक्दैनन् - र त्यसैले तापक्रममा वृद्धि हुँदा दबावमा वृद्धि हुन्छ।
प्रयोग: खाली बोतल लिनुहोस्। यसको घाँटीमा रबरको बेलुन जोड्नुहोस्। सुरुमा, बेलुन डिफ्लेट गरिएको छ। बोतललाई उमालेको पानी भएको पानीको नुहाउने ठाउँमा राख्नुहोस्। केहि समय पछि तपाईले याद गर्नुहुनेछ कि तलको चित्रमा देखाइए अनुसार बेलुन फुलिएको छ। यसले देखाउँछ कि तताउँदा, बोतलमा बन्द हावा विस्तार हुन्छ र बेलुन भर्छ त्यसैले बेलुन फुल्छ।
दैनिक जीवनमा ग्यासहरूको थर्मल विस्तारको प्रयोग
तातो हावाको बेलुन: तातो हावाका बेलुनहरूले ग्यास र ठोस बिचको थर्मल विस्तार भिन्नताको सिद्धान्तमा काम गर्दछ। किनभने बेलुन झोला भित्रको तातो हावा कन्टेनर भन्दा छिटो आकारमा बढ्छ, यसले झोलालाई फैलाउँछ र झोला बाहिर चिसो (भारी) हावालाई विस्थापित गर्दछ। झोला भित्र र बाहिर हावाको घनत्व बीचको भिन्नताले बेलुन माथि उठाउँछ। झोला भित्र हावा चिसो गर्दा बेलुन तल झर्छ।
जब कुनै पदार्थलाई तताइन्छ, यसको आयतन बढ्छ जबकि यसको द्रव्यमान समान रहन्छ, त्यसैले, पदार्थको घनत्व (यसको आयतनमा द्रव्यमानको अनुपात हुनु) तापक्रम बढ्दै जान्छ। ठोसको अवस्थामा, घनत्वमा कमी उल्लेखनीय छैन तर तरल पदार्थ र ग्यासहरूको मामलामा, तापक्रम बढ्दै जाँदा भोल्युम एक प्रशंसनीय मात्राले बढ्छ, र त्यसैले घनत्वमा कमी उल्लेखनीय छ।
