Hemen hemen tüm maddeler (katı, sıvı ve gazlar) ısındığında genleşir ve soğuduğunda büzülür. Bir maddenin ısı alarak genleşmesine o maddenin ısıl genleşmesi denir. Üç tür genişleme vardır: doğrusal (uzunluktaki artış), yüzeysel (alandaki artış) ve kübik genişleme (hacimdeki artış). Katıların belirli bir şekli vardır, bu nedenle bir katı ısıtıldığında tüm yönlerde genişler, yani ısıtma sırasında uzunluk, alan ve hacim artar. Sıvı ve gazlar sadece kübik genişleme gösterir. Isıtıldığında sıvılar katılardan, gazlar sıvılardan çok daha fazla genleşir. Bu derste şunları öğreneceksiniz:
Bir katı ısıtıldığında, katının moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi artar. Büyük bir genlikle ortalama konumları etrafında titreşmeye başlarlar. Sonuç olarak, moleküller arasındaki moleküller arası ayrılma artacak şekilde ortalama konumları değişir, böylece katı her yönde genişler.
Deney: Metal bir top ve bir yüzük alın.
i) Metal bilyeyi ve halkayı aşağıdaki resimde gösterildiği gibi düzenleyin (şekil a). Metal top, her ikisi de oda sıcaklığındayken halkadan kaymalıdır.
ii) Şimdi metal bilyeyi ocakta ısıtın (şekil b)
iii) Halkayı tekrar yerleştirin ve topu halkanın içinden geçirmeye çalışın. Topun sıkıştığını fark edeceksiniz.
Sebep: Isıtıldığında top genişler ve çapı büyür.
Şimdi topun soğumasına izin verin ve tekrar halkadan geçirmeye çalışın, topun artık halkadan geçtiğini fark edeceksiniz. Bunun nedeni soğuma sırasında topun büzülmesidir.
Doğrusal Genişleme
Isınma nedeniyle bir cismin uzunluğunda bir artış olduğunda, genişlemeye doğrusal genişleme denir. Metalik bir çubukta doğrusal genleşmeyi ele alalım. Isıtıldığında metal bir çubuğun uzunluğundaki artış aşağıdaki üç faktöre bağlıdır:
Not: Bir çubuğun ısıtıldığında boyunun artması, içi boş veya katı olmasına bağlı değildir.
Katıların yüzeysel genişlemesi
Bir metal levha ısıtıldığında hem uzunluğu hem de genişliği artar. Bu plakanın alanını arttırır. Levhanın alanındaki artış şunlara bağlıdır:
Katıların kübik genişlemesi
Katı ısıtıldığında uzunluğu, genişliği ve kalınlığı artar, dolayısıyla hacmi artar. Deneysel olarak, bir katının hacmindeki artışın şunlara bağlı olduğu gözlemlenmiştir:
| L 0 , bir çubuğun 0 o C'deki uzunluğu ve to C'deki uzunluğu L t ise, o zaman uzunluktaki bir artış L t - L 0 = L 0 α t olarak verilir. α , çubuğun malzemesine bağlı olan doğrusal genleşme katsayısıdır . Birimi per o C'dir. |
| Bir levhanın 0 o C'deki alanı A 0 ise ve to C'deki alanı At ise, o zaman alandaki artış A t - A 0 = A 0 β t şeklinde verilir. β farklı katılar için farklı olan yüzeysel genleşme katsayısıdır . |
| Eğer V 0 bir katının 0 o C'deki hacmi ve to C'deki alanı V t ise, hacimdeki artış V t - V 0 = V 0 γ t olarak verilir. γ , farklı malzemeler için farklı olan kübik genleşme katsayısıdır . |
α, β ve γ arasındaki ilişki: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
Bazı katıların doğrusal genleşme katsayısı
| Madde | Doğrusal genişleme katsayısı ( o C başına x 10 -6 ) |
| Alüminyum | 24 |
| Pirinç | 19 |
| Bakır | 17 |
| Ütü | 12 |
| Invar | 0.9 |
Günlük hayatta katıların termal genleşmesi
1. Demiryolu rayları: Demiryolu raylarının rayları çelikten imal edilmiştir. Ahşap veya beton santrallerde demiryolu rayları döşenirken aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi birbirini takip eden ray boyları arasında küçük bir boşluk bırakılır. Bunun nedeni, yaz aylarında atmosferik sıcaklığın artması nedeniyle her bir rayın uzunluğunun artma eğiliminde olması ve bu nedenle iki ray arasında bir boşluk bırakılması, aksi halde rayın yana doğru bükülmesidir.
2. Elektrik kabloları ve telefon telleri: Enerji nakil hattındaki elektrik kablosu ve iki direk arasındaki telefon telleri kışın büzülmeden kopabilir, yazın genleşmeden sarkabilir. Bu nedenle iki direk arasına tel çekilirken kışın büzülmeden kırılmaması için yazın biraz gevşek bırakılmasına dikkat edilir. Kışın döşerken de yazın genleşmeden fazla sarkmaması için tayt tutulur.
3. Mutfakta Kullanılan Züccaciye : Mutfakta kullanılan cam eşyalar genellikle pyrex camdan yapılır. Bunun nedeni, pyrex camın çok düşük bir kübik genleşme katsayısına sahip olmasıdır, bu nedenle ısıtıldığında cam eşya genleşmez ve çatlamaz.
Katılar gibi, sıvılar da genellikle ısıtıldığında genleşir. Sıvılar ısıtıldıklarında katılardan çok daha fazla genleşirler. Sıvıların belirli bir şekli olmayıp belirli bir hacmi olduğundan, sıvıların genleşmesi sadece kübiktir.
İstisna: Su, 0 o C'den 4 o C'ye ısıtıldığında büzülür ve daha sonra 4 o C'nin üzerine ısıtıldığında genleşir. Buna suyun anormal davranışı denir.
Deney: Bir kavanoz alın, dörtte üçünü suyla doldurun ve kavanozu kapatın. Ateşin üzerinde tut. Su ısındıkça kavanozdaki su seviyesinin yükseldiğini fark edeceksiniz.
Not: Kavanozda bulunan bir sıvı ısıtıldığında önce kavanoz ısınır ve böylece sıvının seviyesi düştüğü için genleşir. Daha sonra ısı sıvıya ulaştığında genleşecek ve böylece sıvının seviyesi yükselecektir. Böylece, sıvının gerçek genleşmesi gözlenen genleşmeden daha fazladır.
Bir sıvının kübik genleşmesini etkileyen faktörler
Bir sıvının kübik genleşmesi aşağıdaki üç faktöre bağlıdır:
V 0 sıvının 0 o C'deki hacmi ve V t sıvının to C'deki hacmi ise, sıvının hacmindeki artış şu şekilde verilir:
V t - V o = V 0 γ t
burada γ, sıvının kübik genleşme katsayısıdır .
Bazı sıvıların kübik genleşme katsayısı
| Sıvı | Kübik genişleme katsayısı γ ( o C başına x 10 -4 ) |
| Merkür | 1.8 |
| Su (15 0 C'nin üzerinde) | 3.7 |
| Parafin yağı | 9.0 |
| Alkol | 11.0 |
Günlük yaşamda sıvıların termal genleşmesinin uygulanması
Cıvalı bir termometrenin çalışmasında sıvının termal genleşmesi kullanılır. Cıvalı termometre, bir ucu kapalı bir kılcal boru ve diğer ucu silindirik bir ampulden oluşur. Ampul cıva ile doldurulur. Cıva parlak bir sıvıdır, bu nedenle seviyesi kılcal boruda kolayca görülebilir. Termometrenin ampulü sıcak bir cisimle temas halinde tutulduğunda cıva genleşir. Kılcal borudaki cıva seviyesi yükselir. Tüp, sıcaklığı okumak için derecelendirilir. Sıcaklıktaki her Santigrat derecelik artış için cıva aynı hacimde genişler, bu nedenle termometrenin kalibrasyonu daha kolay hale gelir.
Gazlar ayrıca ısıtıldıklarında genleşirler. Gazlar, sıvı ve katılardan çok daha fazla genleşir. Sıvılar gibi gazların da belirli bir şekli yoktur, dolayısıyla sadece kübik genleşmeleri vardır. Bununla birlikte, sabit bir hacimde bulunan gazlar genişleyemez ve bu nedenle sıcaklıktaki artışlar basınçta artışlara neden olur.
Deney: Boş bir şişe alın. Boynuna bir lastik balon takın. Başlangıçta balon söndürülür. Şişeyi kaynar su içeren bir su banyosuna yerleştirin. Bir süre sonra balonun aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi şiştiğini fark edeceksiniz. Bu, ısıtıldığında şişenin içindeki havanın genişlediğini ve balonu doldurarak balonun şiştiğini gösterir.
Günlük yaşamda gazların termal genleşmesinin uygulanması
Sıcak hava balonu: Sıcak hava balonları, gaz ve katı arasındaki termal genleşme farkı prensibine göre çalışır. Balon torbanın içindeki sıcak hava, kaptan daha hızlı büyüdüğü için, torbayı gererek genişler ve torbanın dışındaki daha soğuk (daha ağır) havanın yerini alır. Torbanın içindeki ve dışındaki havanın yoğunluk farkı balonun yükselmesine neden olur. Torbanın içindeki havanın soğuması balonun alçalmasına neden olur.
Bir madde ısıtıldığında kütlesi aynı kalırken hacmi artar, bu nedenle maddenin yoğunluğu (kütlenin hacmine oranıdır) sıcaklığın artmasıyla azalır. Katılarda yoğunluktaki azalma fark edilmez, ancak sıvılarda ve gazlarda sıcaklık arttıkça hacim kayda değer bir miktarda artar ve bu nedenle yoğunluktaki azalma oldukça belirgindir.
