สารเกือบทั้งหมด (ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ) ขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนและหดตัวเมื่อเย็นลง การขยายตัวของสารเมื่อได้รับความร้อนเรียกว่า การขยายตัวทางความร้อน ของสารนั้น การขยายตัวมีสามประเภท: เชิงเส้น (เพิ่มความยาว) ผิวเผิน (เพิ่มพื้นที่) และ ขยายแบบลูกบาศก์ (เพิ่มปริมาตร) ของแข็งมีรูปร่างแน่นอน ดังนั้นเมื่อของแข็งได้รับความร้อน ของแข็งจะขยายตัวออกทุกทิศทาง เช่น ความยาว พื้นที่ และปริมาตร ล้วนเพิ่มขึ้นเมื่อได้รับความร้อน ของเหลวและก๊าซแสดงการขยายตัวแบบลูกบาศก์เท่านั้น เมื่อให้ความร้อน ของเหลวจะขยายตัวมากกว่าของแข็ง และก๊าซจะขยายตัวมากกว่าของเหลว ในบทเรียนนี้ คุณจะได้เรียนรู้:
เมื่อให้ความร้อนแก่ของแข็ง พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลของของแข็งจะเพิ่มขึ้น พวกเขาเริ่มสั่นสะเทือนเกี่ยวกับตำแหน่งเฉลี่ยด้วยแอมพลิจูดขนาดใหญ่ ผลที่ได้คือตำแหน่งเฉลี่ยของพวกมันเปลี่ยนไป เช่น การแยกระหว่างโมเลกุลระหว่างโมเลกุลเพิ่มขึ้น ดังนั้นของแข็งจึงขยายตัวออกไปทุกทิศทาง
การทดลอง: หยิบลูกบอลโลหะและแหวน
i) จัดเรียงลูกบอลโลหะและวงแหวนตามที่แสดงในภาพด้านล่าง (รูป a) ลูกบอลโลหะควรลื่นผ่านวงแหวนเมื่อทั้งคู่อยู่ที่อุณหภูมิห้อง
ii) ตอนนี้ให้ความร้อนลูกโลหะบนเตา (รูป b)
iii) วางห่วงอีกครั้งและพยายามส่งบอลผ่านห่วง คุณจะสังเกตเห็นว่าลูกบอลติดอยู่
เหตุผล: เมื่อทำความร้อน ลูกบอลจะขยายตัวและมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น
ตอนนี้ปล่อยให้ลูกบอลเย็นลงและพยายามส่งลูกบอลผ่านวงแหวนอีกครั้ง คุณจะสังเกตเห็นว่าลูกบอลผ่านวงแหวนแล้ว นี่เป็นเพราะเมื่อเย็นตัวลูกบอลจะหดตัว
การขยายตัวเชิงเส้น
เมื่อใดก็ตามที่ความยาวของวัตถุเพิ่มขึ้นเนื่องจากความร้อน การขยายตัวนั้นเรียกว่าการขยายตัวเชิงเส้น ให้เราพิจารณาการขยายตัวเชิงเส้นในแท่งโลหะ การเพิ่มความยาวของแท่งโลหะเมื่อให้ความร้อนขึ้นอยู่กับปัจจัยสามประการต่อไปนี้:
หมายเหตุ: การเพิ่มความยาวของแท่งในการให้ความร้อนไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าแท่งนั้นกลวงหรือแข็ง
การขยายตัวที่ผิวเผินของของแข็ง
เมื่อแผ่นโลหะร้อน ความยาวและความกว้างของแผ่นโลหะจะเพิ่มขึ้น เป็นการเพิ่มพื้นที่ของจาน การเพิ่มพื้นที่ของจานขึ้นอยู่กับ:
การขยายตัวของลูกบาศก์ของของแข็ง
เมื่อของแข็งได้รับความร้อน ความยาว ความกว้าง และความหนาจะเพิ่มขึ้นทั้งหมด ดังนั้นปริมาตรจึงเพิ่มขึ้น จากการทดลองพบว่าการเพิ่มปริมาตรของของแข็งขึ้นอยู่กับ:
| ถ้า L 0 คือความยาวของแท่งที่ 0 o C และความยาวที่ t o C คือ L t ดังนั้นความยาวที่เพิ่มขึ้นจะได้รับเป็น L t - L 0 = L 0 α t α คือ สัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเชิงเส้น ซึ่งขึ้นอยู่กับวัสดุของแท่ง หน่วยของมันคือต่อ o C |
| ถ้า A 0 คือพื้นที่ของจานที่ 0 o C และพื้นที่ที่ t o C คือ A t พื้นที่ที่เพิ่มขึ้นจะได้รับเป็น A t - A 0 = A 0 β t เบต้า เป็น ค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวที่ผิวเผิน ซึ่งแตกต่างกันสำหรับของแข็งต่างๆ |
| ถ้า V 0 คือปริมาตรของของแข็งที่ 0 o C และพื้นที่ของของแข็งที่ t o C คือ V t ปริมาตรที่เพิ่มขึ้นจะได้รับเป็น V t - V 0 = V 0 γ t γ คือ ค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวแบบลูกบาศก์ ซึ่งแตกต่างกันไปตามวัสดุต่างๆ |
ความสัมพันธ์ระหว่าง α, β และ γ: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของของแข็งบางชนิด
| สาร | ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้น ( x 10 -6 ต่อ o C) |
| อลูมิเนียม | 24 |
| ทองเหลือง | 19 |
| ทองแดง | 17 |
| เหล็ก | 12 |
| อินวาร์ | 0.9 |
การขยายตัวทางความร้อนของของแข็งในชีวิตประจำวัน
1. รางรถไฟ รางรถไฟทำจากเหล็ก ขณะวางรางรถไฟบนโรงไม้หรือคอนกรีต จะเหลือช่องว่างเล็กน้อยระหว่างความยาวต่อเนื่องของราง ดังแสดงในรูปด้านล่าง เหตุผลก็คือ ในฤดูร้อนเนื่องจากอุณหภูมิบรรยากาศที่สูงขึ้น รางแต่ละรางมักจะมีความยาวเพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงเหลือช่องว่างระหว่างรางทั้งสอง มิฉะนั้น รางจะงอไปด้านข้าง
2. สายไฟฟ้าและสายโทรศัพท์: สายไฟฟ้าในสายส่งไฟฟ้าและสายโทรศัพท์ระหว่างสองเสาอาจขาดในฤดูหนาวเนื่องจากการหดตัวและอาจหย่อนในฤดูร้อนเนื่องจากการขยายตัว ดังนั้นในขณะที่วางลวดระหว่างเสาสองต้น ให้ระมัดระวังว่าในฤดูร้อน ลวดเหล่านี้จะต้องหลวมเล็กน้อย เพื่อไม่ให้หักในฤดูหนาวเนื่องจากการหดตัว และในขณะที่วางในฤดูหนาว พวกเขาจะถูกเก็บในกางเกงรัดรูปเพื่อไม่ให้หย่อนเกินไปในฤดูร้อนเนื่องจากการขยายตัว
3. เครื่องแก้วที่ใช้ในครัว: เครื่องแก้วที่ใช้ในครัวโดยทั่วไปทำจากแก้วไพเร็กซ์ เหตุผลก็คือแก้วไพเร็กซ์มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวแบบลูกบาศก์ที่ต่ำมาก ดังนั้นเครื่องแก้วที่ได้รับความร้อนจึงไม่ขยายตัวและแตกร้าว
เช่นเดียวกับของแข็ง ของเหลวมักจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน ของเหลวขยายตัวได้มากกว่าของแข็งเมื่อได้รับความร้อน เนื่องจากของเหลวไม่มีรูปร่างแน่นอนแต่มีปริมาตรแน่นอน ดังนั้นของเหลวจึงมีการขยายตัวแบบลูกบาศก์เท่านั้น
ข้อยกเว้น: น้ำหดตัวเมื่อให้ความร้อนจาก 0 o C ถึง 4 o C และเกิน 4 o C เมื่อให้ความร้อนต่อไป น้ำจะขยายตัว สิ่งนี้เรียกว่า พฤติกรรมที่ผิดปกติของน้ำ
การทดลอง: นำขวดใส่น้ำ เติมน้ำสามในสี่ส่วน แล้วปิดขวดโหล เก็บไว้บนเปลวไฟ คุณจะสังเกตเห็นว่าเมื่อน้ำร้อนขึ้นเรื่อยๆ ระดับน้ำในโถจะสูงขึ้น
หมายเหตุ: เมื่อของเหลวที่บรรจุอยู่ในขวดโหลได้รับความร้อน ขวดโหลจะได้รับความร้อนก่อน จากนั้นขวดโหลจะขยายตัวตามระดับของของเหลวที่ลดลง หลังจากนั้นเมื่อความร้อนมาถึงของเหลว มันจะขยายตัว ดังนั้นระดับของของเหลวก็จะสูงขึ้น ดังนั้นการขยายตัวที่แท้จริงของของเหลวจึงมากกว่าการขยายตัวที่สังเกตได้
ปัจจัยที่มีผลต่อการขยายตัวของลูกบาศก์ของของเหลว
การขยายตัวแบบลูกบาศก์ของของเหลวขึ้นอยู่กับปัจจัยสามประการต่อไปนี้:
ถ้า V 0 เป็นปริมาตรของของเหลวที่ 0 o C และ V t เป็นปริมาตรของของเหลวที่ t o C ดังนั้นปริมาตรของของเหลวที่เพิ่มขึ้นจะได้รับเป็น
V เสื้อ - V o = V 0 γ เสื้อ
โดยที่ γ คือสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวแบบลูกบาศก์ของของเหลว .
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของลูกบาศก์ของของเหลวบางชนิด
| ของเหลว | ค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวลูกบาศก์ γ ( x 10 -4 ต่อ o C) |
| ปรอท | 1.8 |
| น้ำ (สูงกว่า 15 OC ) | 3.7 |
| น้ำมันพาราฟิน | 9.0 |
| แอลกอฮอล์ | 11.0 |
การประยุกต์ใช้การขยายตัวทางความร้อนของของเหลวในชีวิตประจำวัน
การขยายตัวทางความร้อนของของเหลวใช้ในการทำงานของเทอร์โมมิเตอร์แบบปรอท เทอร์โมมิเตอร์แบบปรอทประกอบด้วยท่อแคปปิลารีที่ปลายด้านหนึ่งปิด และกระเปาะทรงกระบอกที่ปลายอีกด้านหนึ่ง หลอดไฟเต็มไปด้วยสารปรอท ปรอทเป็นของเหลวแวววาว ดังนั้นจึงสามารถมองเห็นระดับของปรอทได้ง่ายในหลอดเส้นเลือดฝอย เมื่อหลอดของเทอร์โมมิเตอร์สัมผัสกับร่างกายที่ร้อน ปรอทจะขยายตัว ระดับของปรอทสูงขึ้นในหลอดเส้นเลือดฝอย หลอดวัดระดับเพื่ออ่านอุณหภูมิ สำหรับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในแต่ละองศาเซลเซียส ปรอทจะขยายตัวด้วยปริมาตรที่เท่ากัน ดังนั้นการสอบเทียบเทอร์โมมิเตอร์จึงง่ายขึ้น
ก๊าซยังขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน ก๊าซขยายตัวได้มากกว่าของเหลวและของแข็ง เช่นเดียวกับของเหลว ก๊าซไม่มีรูปร่างที่แน่นอน ดังนั้นพวกมันจึงมีการขยายตัวแบบลูกบาศก์เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ก๊าซที่บรรจุอยู่ในปริมาตรคงที่ไม่สามารถขยายตัวได้ ดังนั้น อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะส่งผลให้ความดันเพิ่มขึ้น
การทดลอง: นำขวดเปล่า ติดลูกโป่งยางที่คอ ในขั้นต้นบอลลูนจะปล่อยลมออก วางขวดลงในอ่างน้ำที่มีน้ำเดือด หลังจากผ่านไประยะหนึ่ง คุณจะสังเกตเห็นว่าลูกโป่งพองตัวขึ้นดังที่แสดงในรูปด้านล่าง สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าเมื่อให้ความร้อน อากาศที่อยู่ในขวดจะขยายตัวและเติมลูกโป่งเพื่อให้ลูกโป่งพองตัว
การประยุกต์ใช้การขยายตัวทางความร้อนของก๊าซในชีวิตประจำวัน
บอลลูนลมร้อน: บอลลูนลมร้อนทำงานบนหลักการของความแตกต่างของการขยายตัวทางความร้อนระหว่างก๊าซและของแข็ง เนื่องจากอากาศร้อนภายในถุงบอลลูนจะเพิ่มขนาดเร็วกว่าภาชนะ จึงยืดถุงเพื่อขยายและแทนที่อากาศเย็น (หนักกว่า) ภายนอกถุง ความแตกต่างระหว่างความหนาแน่นของอากาศภายในและภายนอกถุงทำให้บอลลูนลอยขึ้น อากาศเย็นภายในถุงทำให้บอลลูนลอยลงมา
เมื่อสารได้รับความร้อน ปริมาตรของสารจะเพิ่มขึ้นในขณะที่มวลยังคงเท่าเดิม ดังนั้น ความหนาแน่นของสาร (ซึ่งเป็นอัตราส่วนของมวลต่อปริมาตร) จะลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ในกรณีของของแข็ง การลดลงของความหนาแน่นจะไม่สังเกตเห็นได้ชัดเจน แต่ในกรณีของของเหลวและก๊าซ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ปริมาตรจะเพิ่มขึ้นในปริมาณที่ประเมินค่าได้ ดังนั้น การลดลงของความหนาแน่นจึงค่อนข้างสังเกตได้ชัดเจน
