تقریباً تمام مادے (ٹھوس، مائعات، اور گیسیں) حرارت پر پھیلتے ہیں اور ٹھنڈک پر سکڑتے ہیں۔ حرارت پر کسی مادے کی توسیع کو اس مادہ کی حرارتی توسیع کہا جاتا ہے۔ توسیع کی تین اقسام ہیں: لکیری (لمبائی میں اضافہ)، سطحی (رقبہ میں اضافہ)، اور کیوبیکل توسیع (حجم میں اضافہ)۔ ٹھوس کی ایک مخصوص شکل ہوتی ہے، اس لیے جب ٹھوس کو گرم کیا جاتا ہے تو یہ تمام سمتوں میں پھیلتا ہے یعنی لمبائی، رقبہ اور حجم سبھی گرم ہونے پر بڑھ جاتے ہیں۔ مائع اور گیسیں صرف کیوبیکل توسیع کو ظاہر کرتی ہیں۔ گرم ہونے پر، مائع ٹھوس سے زیادہ پھیلتے ہیں اور گیسیں مائع سے کہیں زیادہ پھیلتی ہیں۔ اس سبق میں، آپ سیکھنے جا رہے ہیں:
ٹھوس کو گرم کرنے پر، ٹھوس کے مالیکیولز کی اوسط حرکی توانائی بڑھ جاتی ہے۔ وہ ایک بڑے طول و عرض کے ساتھ اپنی اوسط پوزیشن کے بارے میں ہلنا شروع کر دیتے ہیں۔ نتیجہ یہ ہے کہ ان کی اوسط پوزیشن اس طرح بدل جاتی ہے کہ مالیکیولز کے درمیان بین سالماتی علیحدگی بڑھ جاتی ہے، اس طرح ٹھوس تمام سمتوں میں پھیلتا ہے۔
تجربہ: ایک دھاتی گیند اور ایک انگوٹھی لیں۔
i) دھاتی گیند اور انگوٹھی کو ترتیب دیں جیسا کہ ذیل کی تصویر میں دکھایا گیا ہے (شکل a)۔ جب دونوں کمرے کے درجہ حرارت پر ہوں تو دھاتی گیند کو انگوٹھی سے پھسلنا چاہیے۔
ii) اب دھاتی گیند کو برنر پر گرم کریں (شکل ب)
iii) انگوٹھی کو دوبارہ رکھیں اور گیند کو انگوٹھی سے گزرنے کی کوشش کریں۔ آپ دیکھیں گے کہ گیند پھنس گئی ہے۔
وجہ: گرم ہونے پر، گیند پھیلتی ہے اور قطر میں بڑی ہو جاتی ہے۔
اب گیند کو ٹھنڈا ہونے دیں اور دوبارہ گیند کو انگوٹھی سے گزرنے کی کوشش کریں، آپ دیکھیں گے کہ گیند اب انگوٹھی سے گزر رہی ہے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ ٹھنڈا ہونے پر گیند سکڑ جاتی ہے۔
لکیری توسیع
جب بھی حرارت کی وجہ سے جسم کی لمبائی میں اضافہ ہوتا ہے تو اس کی توسیع کو لکیری توسیع کہتے ہیں۔ آئیے دھاتی چھڑی میں لکیری توسیع پر غور کریں۔ حرارت پر دھاتی چھڑی کی لمبائی میں اضافہ درج ذیل تین عوامل پر منحصر ہے:
نوٹ: گرم کرنے پر چھڑی کی لمبائی میں اضافہ اس بات پر منحصر نہیں ہے کہ یہ کھوکھلی ہے یا ٹھوس
ٹھوس کی سطحی توسیع
جب دھات کی پلیٹ کو گرم کیا جاتا ہے تو اس کی لمبائی اور چوڑائی دونوں بڑھ جاتی ہیں۔ اس سے پلیٹ کا رقبہ بڑھ جاتا ہے۔ پلیٹ کے رقبے میں اضافہ اس پر منحصر ہے:
ٹھوس کی کیوبیکل توسیع
جب ٹھوس کو گرم کیا جاتا ہے، تو اس کی لمبائی، چوڑائی اور موٹائی سب بڑھ جاتی ہے، اس طرح حجم میں اضافہ ہوتا ہے۔ تجرباتی طور پر یہ دیکھا گیا ہے کہ ٹھوس کے حجم میں اضافے کا انحصار اس بات پر ہے:
| اگر L 0 0 o C پر ایک چھڑی کی لمبائی ہے اور t o C پر اس کی لمبائی L t ہے، تو لمبائی میں اضافہ L t - L 0 = L 0 α t کے طور پر دیا جائے گا۔ α لکیری توسیع کا گتانک ہے جو چھڑی کے مواد پر منحصر ہے۔ اس کی اکائی فی او سی ہے۔ |
| اگر A 0 0 o C پر پلیٹ کا رقبہ ہے اور t o C پر اس کا رقبہ A t ہے تو رقبہ میں اضافہ A t - A 0 = A 0 β t کے طور پر دیا جائے گا۔ β سطحی توسیع کا گتانک ہے جو مختلف ٹھوس کے لیے مختلف ہے۔ |
| اگر V 0 0 o C پر ٹھوس کا حجم ہے اور t o C پر اس کا رقبہ V t ہے تو حجم میں اضافہ V t - V 0 = V 0 γ t کے طور پر دیا جائے گا۔ γ کیوبیکل توسیع کا گتانک ہے جو مختلف مواد کے لیے مختلف ہے۔ |
α، β اور γ کے درمیان تعلق: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
کچھ ٹھوس کی لکیری توسیع کا گتانک
| مادہ | لکیری توسیع کا گتانک (x 10 -6 فی o C) |
| ایلومینیم | 24 |
| پیتل | 19 |
| تانبا | 17 |
| لوہا | 12 |
| انور | 0.9 |
روزمرہ کی زندگی میں ٹھوس اشیاء کی تھرمل توسیع
1. ریلوے ٹریکس: ریلوے کی پٹریوں کی ریلیں سٹیل سے بنی ہوتی ہیں۔ لکڑی یا کنکریٹ کے پودوں پر ریلوے ٹریک بچھاتے وقت، پٹریوں کی لگاتار لمبائی کے درمیان ایک چھوٹا سا خلا رہ جاتا ہے جیسا کہ نیچے دی گئی تصویر میں دکھایا گیا ہے۔ وجہ یہ ہے کہ موسم گرما میں ماحول کے درجہ حرارت میں اضافے کی وجہ سے ہر ریل کی لمبائی میں اضافہ ہوتا ہے، اس لیے دونوں ریلوں کے درمیان ایک فاصلہ رہ جاتا ہے، ورنہ ریل ایک طرف جھک جائے گی۔
2. الیکٹرک کیبلز اور ٹیلی فون کی تاریں: پاور ٹرانسمیشن لائن میں برقی کیبل اور دو کھمبوں کے درمیان ٹیلی فون کی تاریں سردیوں میں سکڑنے کی وجہ سے ٹوٹ سکتی ہیں اور گرمیوں میں پھیلنے کی وجہ سے جھک سکتی ہیں۔ اس لیے دو کھمبوں کے درمیان تار لگاتے وقت اس بات کا خیال رکھا جاتا ہے کہ گرمیوں میں انھیں تھوڑا سا ڈھیلا رکھا جائے تاکہ سردیوں میں یہ سکڑنے کی وجہ سے ٹوٹ نہ جائیں۔ اور سردیوں میں بچھاتے وقت، انہیں ٹائٹس رکھا جاتا ہے تاکہ گرمیوں میں پھیلنے کی وجہ سے وہ زیادہ نہ جھک جائیں۔
3. باورچی خانے میں استعمال ہونے والے شیشے کے برتن : باورچی خانے میں استعمال ہونے والے شیشے کے برتن عام طور پر پائریکس شیشے سے بنے ہوتے ہیں۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ پائریکس شیشے میں کیوبیکل توسیع کا گتانک بہت کم ہوتا ہے، لہٰذا گرم ہونے پر شیشے کے برتن میں توسیع نہیں ہوتی اور دراڑیں پڑ جاتی ہیں۔
ٹھوس کی طرح، مائعات بھی عام طور پر گرم ہونے پر پھیلتے ہیں۔ جب گرم کیا جاتا ہے تو مائعات ٹھوس سے کہیں زیادہ پھیلتے ہیں۔ چونکہ مائع کی کوئی قطعی شکل نہیں ہوتی لیکن اس کا ایک خاص حجم ہوتا ہے، اس لیے مائع میں صرف کیوبیکل توسیع ہوتی ہے۔
استثناء: پانی کو 0 o C سے 4 o C تک گرم کرنے پر اور پھر 4 o C سے زیادہ گرم کرنے پر یہ پھیلتا ہے۔ اسے پانی کا غیر معمولی سلوک کہا جاتا ہے۔
تجربہ: ایک مرتبان لیں، تین چوتھائی حصہ پانی سے بھریں، اور جار کو بند کریں۔ اسے آگ پر رکھیں۔ آپ دیکھیں گے کہ جیسے جیسے پانی کو زیادہ سے زیادہ گرم کیا جاتا ہے، جار میں پانی کی سطح بڑھ جاتی ہے۔
نوٹ: جب جار میں موجود مائع کو گرم کیا جاتا ہے تو پہلے جار گرم ہوتا ہے اور یوں یہ پھیلتا ہے جس کی وجہ سے مائع کی سطح گر جاتی ہے۔ اس کے بعد جب گرمی مائع تک پہنچے گی تو یہ پھیل جائے گی، اس طرح مائع کی سطح بڑھے گی۔ اس طرح، مائع کی حقیقی توسیع مشاہدہ کی توسیع سے زیادہ ہے.
مائع کی کیوبیکل توسیع کو متاثر کرنے والے عوامل
مائع کی کیوبیکل توسیع درج ذیل تین عوامل پر منحصر ہے:
اگر V 0 0 o C پر مائع کا حجم ہے اور T o C پر V t مائع کا حجم ہے، تو مائع کے حجم میں اضافہ اس طرح دیا جاتا ہے۔
V t - V o = V 0 γ t
جہاں γ مائع کی کیوبیکل توسیع کا گتانک ہے ۔
کچھ مائعات کے کیوبیکل توسیع کا گتانک
| مائع | کیوبیکل توسیع کا گتانک γ ( x 10 -4 فی o C) |
| مرکری | 1.8 |
| پانی (15 O C سے اوپر) | 3.7 |
| پیرافین کا تیل | 9.0 |
| شراب | 11.0 |
روزمرہ کی زندگی میں مائعات کی تھرمل توسیع کا اطلاق
مرکری تھرمامیٹر کے کام میں مائع کی حرارتی توسیع کا استعمال کیا جاتا ہے۔ مرکری تھرمامیٹر ایک کیپلیری ٹیوب پر مشتمل ہوتا ہے جس کا ایک سرا بند ہوتا ہے اور دوسرے سرے پر ایک بیلناکار بلب ہوتا ہے۔ بلب پارے سے بھرا ہوا ہے۔ مرکری ایک چمکدار مائع ہے، اس لیے اس کی سطح کیپلیری ٹیوب میں آسانی سے دیکھی جا سکتی ہے۔ جب تھرمامیٹر کے بلب کو گرم جسم کے ساتھ رابطے میں رکھا جاتا ہے تو پارا پھیلتا ہے۔ کیپلیری ٹیوب میں پارے کی سطح بڑھ جاتی ہے۔ ٹیوب درجہ حرارت کو پڑھنے کے لئے گریجویٹ ہے. درجہ حرارت میں ہر ڈگری سیلسیس کے اضافے کے لیے، پارا اسی حجم سے پھیلتا ہے، اس لیے تھرمامیٹر کی انشانکن آسان ہو جاتی ہے۔
گرم ہونے پر گیسیں بھی پھیلتی ہیں۔ گیسیں مائع اور ٹھوس سے کہیں زیادہ پھیلتی ہیں۔ مائعات کی طرح، گیسوں کی کوئی خاص شکل نہیں ہوتی، اس لیے ان میں بھی صرف کیوبیکل توسیع ہوتی ہے۔ تاہم، ایک مقررہ حجم میں موجود گیسیں پھیل نہیں سکتیں - اور اس طرح درجہ حرارت میں اضافے کے نتیجے میں دباؤ میں اضافہ ہوتا ہے۔
تجربہ: ایک خالی بوتل لیں۔ اس کے گلے میں ربڑ کا غبارہ لگائیں۔ ابتدائی طور پر، غبارہ deflated ہے. بوتل کو ابلتے ہوئے پانی والے پانی کے غسل میں رکھیں۔ کچھ دیر بعد آپ دیکھیں گے کہ غبارہ فلا ہوا ہے جیسا کہ نیچے دی گئی تصویر میں دکھایا گیا ہے۔ اس سے پتہ چلتا ہے کہ گرم ہونے پر، بوتل میں بند ہوا پھیلتی ہے اور غبارے میں بھرتی ہے تو غبارہ پھول جاتا ہے۔
روزمرہ کی زندگی میں گیسوں کی تھرمل توسیع کا اطلاق
گرم ہوا کا غبارہ: گرم ہوا کے غبارے گیس اور ٹھوس کے درمیان تھرمل توسیع کے فرق کے اصول پر کام کرتے ہیں۔ کیونکہ غبارے کے تھیلے کے اندر گرم ہوا کنٹینر سے زیادہ تیزی سے سائز میں بڑھ جاتی ہے، اس لیے یہ بیگ کو پھیلاتا ہے اور بیگ کے باہر ٹھنڈی (بھاری) ہوا کو بے گھر کر دیتا ہے۔ بیگ کے اندر اور باہر ہوا کی کثافت کے درمیان فرق، غبارے کے اوپر ہونے کا سبب بنتا ہے۔ بیگ کے اندر ہوا کو ٹھنڈا کرنے سے غبارہ نیچے آتا ہے۔
جب کسی مادے کو گرم کیا جاتا ہے تو اس کا حجم بڑھ جاتا ہے جبکہ اس کی کمیت ایک ہی رہتی ہے، اس لیے درجہ حرارت میں اضافے کے ساتھ مادے کی کثافت (اس کے حجم کا کمیت کے تناسب سے) کم ہو جاتی ہے۔ ٹھوس کے معاملے میں، کثافت میں کمی قابل توجہ نہیں ہے لیکن مائعات اور گیسوں کے معاملے میں، درجہ حرارت بڑھنے سے حجم میں قابل قدر مقدار میں اضافہ ہوتا ہے، اور اس وجہ سے کثافت میں کمی کافی نمایاں ہے۔
