Nästan alla ämnen (fasta ämnen, vätskor och gaser) expanderar vid uppvärmning och drar ihop sig vid kylning. Expansionen av ett ämne vid upphettning kallas den termiska expansionen av det ämnet. Det finns tre typer av expansion: linjär (ökning i längd), ytlig (ökning i area) och kubisk expansion (ökning i volym). Fasta ämnen har en bestämd form, så när ett fast ämne värms upp expanderar det i alla riktningar, dvs längden, arean och volymen ökar alla vid uppvärmning. Vätska och gaser visar endast kubisk expansion. Vid uppvärmning expanderar vätskor mer än fasta ämnen och gaser expanderar mycket mer än vätskor. I den här lektionen kommer du att lära dig:
Vid upphettning av ett fast ämne ökar den genomsnittliga kinetiska energin för molekyler i det fasta ämnet. De börjar vibrera omkring sin medelposition med stor amplitud. Resultatet är att deras medelposition förändras så att den intermolekylära separationen mellan molekylerna ökar, så att det fasta ämnet expanderar i alla riktningar.
Experiment: Ta en metallkula och en ring.
i) Ordna metallkulan och ringen som visas på bilden nedan (figur a). Metallkulan ska precis glida genom ringen när båda är i rumstemperatur.
ii) Värm nu metallkulan på en brännare (figur b)
iii) Placera ringen igen och försök föra bollen genom ringen. Du kommer att märka att bollen fastnar.
Anledning: Vid uppvärmning expanderar kulan och blir större i diameter.
Låt nu bollen svalna och försök igen att passera bollen genom ringen, du kommer att märka att bollen nu passerar genom ringen. Detta beror på att kulan drar ihop sig vid kylning.
Linjär expansion
Närhelst det blir en ökning av längden på en kropp på grund av uppvärmning kallas expansionen linjär expansion. Låt oss överväga linjär expansion i en metallstav. Ökningen av längden på en metallstav vid uppvärmning beror på följande tre faktorer:
Obs: Ökning av längden på en stav vid uppvärmning beror inte på om den är ihålig eller solid
Ytlig expansion av fasta ämnen
När en metallplatta värms upp ökar både dess längd och bredd. Detta ökar plattans yta. En ökning av plattans yta beror på:
Kubisk expansion av fasta ämnen
När fast material värms upp ökar dess längd, bredd och tjocklek, vilket ökar volymen. Experimentellt observeras att ökningen av volymen av ett fast ämne beror på:
| Om L 0 är längden på en stav vid 0 o C och dess längd vid t o C är L t , så ges en ökning av längden som L t - L 0 = L 0 α t α är den linjära expansionskoefficienten som beror på stavens material. Dess enhet är per o C |
| Om A 0 är arean av en platta vid 0 o C och dess area vid t o C är A t , så ges en ökning av arean som A t - A 0 = A 0 β t β är den ytliga expansionskoefficienten som är olika för olika fasta ämnen. |
| Om V 0 är volymen av ett fast ämne vid 0 o C och dess area vid t o C är V t , så ges volymökningen som V t - V 0 = V 0 γ t γ är den kubiska expansionskoefficienten som är olika för olika material. |
Förhållandet mellan α, β och γ: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
Linjär expansionskoefficient för vissa fasta ämnen
| Ämne | Linjär expansionskoefficient ( x 10 -6 per o C) |
| Aluminium | 24 |
| Mässing | 19 |
| Koppar | 17 |
| Järn | 12 |
| Invar | 0,9 |
Termisk expansion av fasta ämnen i det dagliga livet
1. Järnvägsspår: Järnvägsrälsarna är gjorda av stål. När man lägger järnvägsspåren på trä- eller betongväxterna lämnas ett litet gap mellan de på varandra följande rälslängderna som visas i figuren nedan. Anledningen är att på sommaren på grund av den stigande atmosfärstemperaturen tenderar varje skena att öka i sin längd, så det blir ett mellanrum mellan de två skenorna, annars kommer skenan att böjas i sidled.
2. Elkablar och telefonledningar: Elkabeln i kraftöverföringsledningen och telefonledningar mellan två poler kan gå av på vintern på grund av sammandragning och kan sjunka på sommaren på grund av expansion. När man sätter upp tråden mellan två stolpar ser man därför till att de på sommaren hålls lite lösa så att de inte går sönder på vintern på grund av sammandragning. Och när man lägger dem på vintern hålls de i strumpbyxor så att de inte hänger för mycket på sommaren på grund av expansion.
3. Glas som används i köket: Glas som används i köket är vanligtvis gjorda av pyrexglas. Anledningen är att pyrexglaset har en mycket låg kubisk expansionskoefficient, så att glasvarorna vid uppvärmning inte expanderar och spricker.
Liksom fasta ämnen expanderar också vätskor vanligtvis vid upphettning. Vätskor expanderar mycket mer än de fasta ämnena när de värms upp. Eftersom vätska inte har en bestämd form utan har en bestämd volym, har därför vätskor endast kubisk expansion.
Undantag: Vatten drar ihop sig vid uppvärmning från 0 o C till 4 o C och sedan över 4 o C vid ytterligare uppvärmning expanderar det. Detta kallas anomalt beteende hos vatten.
Experiment: Ta en burk, fyll den tre fjärdedelen med vatten och stäng burken. Håll den på lågan. Du kommer att märka att när vattnet värms upp mer och mer, stiger vattennivån i burken.
Obs: När en vätska som finns i burken värms upp, blir burken först uppvärmd och så expanderar den och vätskenivån sjunker. När sedan värmen når vätskan kommer den att expandera, så vätskenivån kommer att stiga. Således är den verkliga expansionen av vätska mer än den observerade expansionen.
Faktorer som påverkar den kubiska expansionen av en vätska
Den kubiska expansionen av en vätska beror på följande tre faktorer:
Om V 0 är volymen vätska vid 0 o C och V t volymen vätska vid t o C, så ges en ökning av vätskevolymen som
Vt - Vo = Voyt
där γ är vätskans kubiska expansionskoefficient .
Kubikexpansionskoefficient för vissa vätskor
| Flytande | Kubikexpansionskoefficient γ ( x 10 -4 per o C) |
| Merkurius | 1.8 |
| Vatten (över 15 O C) | 3.7 |
| Fotogen | 9,0 |
| Alkohol | 11.0 |
Tillämpning av termisk expansion av vätskor i det dagliga livet
Termisk expansion av vätska används vid bearbetning av en kvicksilvertermometer. Kvicksilvertermometer består av ett kapillärrör med ena änden stängd och en cylindrisk glödlampa i andra änden. Lampan är fylld med kvicksilver. Kvicksilver är en glänsande vätska, så dess nivå kan lätt ses i kapillärröret. När termometerns kula hålls i kontakt med en het kropp expanderar kvicksilvret. Nivån av kvicksilver stiger i kapillärröret. Röret graderas för att avläsa temperaturen. För varje temperaturökning i grader Celsius expanderar kvicksilver med samma volym, så kalibreringen av termometern blir lättare.
Gaser expanderar också när de värms upp. Gaser expanderar mycket mer än vätskor och fasta ämnen. Liksom vätskor har gaserna ingen bestämd form, så de har också bara kubisk expansion. Gaser som finns i en fast volym kan dock inte expandera - och därför resulterar temperaturökningar i tryckökningar.
Experiment: Ta en tom flaska. Fäst en gummiballong på halsen. Till en början töms ballongen. Placera flaskan i ett vattenbad med kokande vatten. Efter en tid kommer du att märka att ballongen blåses upp som visas i bilden nedan. Detta visar att vid uppvärmning expanderar luften som är innesluten i flaskan och fyller ballongen så att ballongen blåses upp.
Tillämpning av termisk expansion av gaser i det dagliga livet
Varmluftsballong: Varmluftsballonger fungerar enligt principen om termisk expansionsskillnad mellan en gas och en fast substans. Eftersom den varma luften inuti ballongpåsen ökar i storlek snabbare än behållaren, sträcker den ut påsen så att den expanderar och tränger undan den kallare (tyngre) luften utanför påsen. Skillnaden mellan luftens densitet inuti och utanför påsen, gör att ballongen stiger. Kylning av luften inuti påsen gör att ballongen sjunker.
När ett ämne värms upp ökar dess volym medan dess massa förblir densamma, därför minskar ämnets densitet (som är förhållandet mellan massa och dess volym) med ökningen av temperaturen. När det gäller fasta ämnen är minskningen i densitet inte märkbar, men i fallet med vätskor och gaser, när temperaturen ökar ökar volymen avsevärt, och därför är minskningen i densitet ganska märkbar.
