ידוע שבהשפעת החום חלקיקים מאיצים את התנועה הכאוטית שלהם. אם מחממים גז, אז המולקולות המרכיבות אותו פשוט יתפזרו אחת מהשנייה. הנוזל המחומם יגדל תחילה בנפחו, ולאחר מכן יתחיל להתאדות. מה יקרה למוצקים? לא כל אחד מהם יכול לשנות את מצב הצבירה שלו.
הגדרת התרחבות תרמית
התפשטות תרמית היא שינוי בגודל ובצורה של גופים עם שינוי בטמפרטורה. מבחינה מתמטית, ניתן לחשב את מקדם ההתפשטות הנפחי, המאפשר לחזות את התנהגות הגזים והנוזלים בתנאים חיצוניים משתנים. כדי לקבל את אותן תוצאות עבור מוצקים, יש לקחת בחשבון את מקדם ההתפשטות הליניארית. פיזיקאים ייחדו קטע שלם לסוג זה של מחקר וקראו לו דילטומטריה.
מהנדסים ואדריכלים זקוקים לידע על התנהגות חומרים שונים בהשפעת טמפרטורות גבוהות ונמוכות לצורך תכנון מבנים, הנחת כבישים וצינורות.
הרחבת גז
תרמיתהתפשטות הגזים מלווה בהרחבת נפחם בחלל. פילוסופים טבעיים הבחינו בכך בימי קדם, אך רק פיזיקאים מודרניים הצליחו לבנות חישובים מתמטיים.
קודם כל, מדענים החלו להתעניין בהרחבת האוויר, מכיוון שזו נראתה להם משימה אפשרית. הם התחילו לעסקים כל כך בקנאות שהם השיגו תוצאות סותרות למדי. מטבע הדברים, הקהילה המדעית לא הייתה מרוצה מתוצאה כזו. דיוק המדידה היה תלוי באיזה מדחום נעשה שימוש, בלחץ ובמגוון תנאים אחרים. כמה פיזיקאים אף הגיעו למסקנה כי התפשטות הגזים אינה תלויה בשינויים בטמפרטורה. או שההתמכרות הזו לא שלמה…
עבודות מאת דלטון וגיי-לוסאק
פיזיקאים היו ממשיכים להתווכח עד שהם יהיו צרידים או שהיו נוטשים מדידות אלמלא ג'ון דלטון. הוא ופיזיקאי אחר, Gay-Lussac, הצליחו להשיג באופן עצמאי את אותן תוצאות מדידה בו-זמנית.
Lussac ניסה למצוא את הסיבה לכל כך הרבה תוצאות שונות ושם לב שבחלק מהמכשירים בזמן הניסוי היו מים. באופן טבעי, בתהליך החימום, הוא הפך לקיטור ושינה את כמות והרכב הגזים הנחקרים. לכן, הדבר הראשון שהמדען עשה היה לייבש היטב את כל המכשירים שבהם השתמש לביצוע הניסוי, ולהוציא אפילו את אחוז הלחות המינימלי מהגז הנחקר. אחרי כל המניפולציות האלה, הניסויים הראשונים התבררו כאמינים יותר.
D alton טיפל בנושא זה זמן רב יותרעמיתו ופרסם את התוצאות ממש בתחילת המאה ה-19. הוא ייבש את האוויר באדי חומצה גופרתית ואז חימם אותו. לאחר סדרת ניסויים, ג'ון הגיע למסקנה שכל הגזים והקיטור מתרחבים בפקטור של 0.376. Lussac קיבל את המספר 0.375. זו הפכה לתוצאה הרשמית של המחקר.
אלסטיות של אדי מים
ההתפשטות התרמית של גזים תלויה בגמישות שלהם, כלומר, ביכולת לחזור לנפחם המקורי. זיגלר היה הראשון שחקר סוגיה זו באמצע המאה השמונה עשרה. אבל תוצאות הניסויים שלו היו מגוונות מדי. נתונים אמינים יותר התקבלו על ידי ג'יימס וואט, שהשתמש בקלחת לטמפרטורות גבוהות ובברומטר לטמפרטורות נמוכות.
בסוף המאה ה-18, הפיזיקאי הצרפתי פרוני ניסה לגזור נוסחה אחת שתתאר את גמישות הגזים, אך התברר שהיא מסורבלת מדי וקשה לשימוש. דלטון החליט לבדוק את כל החישובים באופן אמפירי, באמצעות ברומטר סיפון לשם כך. למרות העובדה שהטמפרטורה לא הייתה זהה בכל הניסויים, התוצאות היו מדויקות מאוד. אז הוא פרסם אותם כטבלה בספר הלימוד שלו בפיזיקה.
תיאוריית האידוי
ההתפשטות התרמית של גזים (כתאוריה פיזיקלית) עברה שינויים שונים. מדענים ניסו לרדת לעומקם של התהליכים שבהם מיוצר קיטור. כאן שוב, הפיזיקאי הידוע דלטון הבחין בעצמו. הוא שיער שכל חלל רווי באדי גז, ללא קשר אם הוא קיים במאגר הזה(חדר) כל גז או קיטור אחר. לכן, ניתן להסיק שהנוזל לא יתנדף רק במגע עם אוויר אטמוספרי.
לחץ עמוד האוויר על פני הנוזל מגדיל את המרווח בין האטומים, קורע אותם ומתאדה, כלומר תורם ליצירת אדים. אבל כוח הכבידה ממשיך לפעול על מולקולות האדים, אז מדענים חישבו שללחץ אטמוספרי אין השפעה על אידוי של נוזלים.
הרחבת נוזלים
ההתפשטות התרמית של נוזלים נחקרה במקביל להתפשטות הגזים. אותם מדענים עסקו במחקר מדעי. לשם כך, הם השתמשו במדי חום, מדי אוויר, כלי תקשורת ומכשירים אחרים.
כל הניסויים ביחד וכל אחד בנפרד הפריך את התיאוריה של דלטון לפיה נוזלים הומוגניים מתרחבים ביחס לריבוע הטמפרטורה שאליה הם מחוממים. כמובן שככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, נפח הנוזל גדול יותר, אבל לא היה קשר ישיר בינו. כן, וקצב ההתפשטות של כל הנוזלים היה שונה.
ההתפשטות התרמית של מים, למשל, מתחילה באפס מעלות צלזיוס וממשיכה כשהטמפרטורה יורדת. בעבר, תוצאות כאלה של ניסויים היו קשורות לעובדה שלא המים עצמם מתרחבים, אלא המיכל שבו הם נמצאים מצטמצם. אבל זמן מה לאחר מכן, הפיזיקאי דלוקה בכל זאת הגיע למסקנה שיש לחפש את הסיבה בנוזל עצמו. הוא החליט למצוא את הטמפרטורה של הצפיפות הגדולה ביותר שלה. עם זאת, הוא לא הצליח בגלל הזנחהכמה פרטים. Rumforth, שחקר תופעה זו, מצא שצפיפות המים המרבית נצפית בטווח שבין 4 ל-5 מעלות צלזיוס.
הרחבה תרמית של גופים
במוצקים, מנגנון ההתפשטות העיקרי הוא שינוי במשרעת הרעידות של סריג הגביש. במילים פשוטות, האטומים המרכיבים את החומר ומקושרים זה לזה בצורה נוקשה מתחילים "לרעוד".
חוק ההתפשטות התרמית של הגופים מנוסח באופן הבא: כל גוף בגודל ליניארי L בתהליך חימום ב-dT (דלתא T היא ההפרש בין הטמפרטורה ההתחלתית לטמפרטורה הסופית), מתרחב ב-dL (דלתא L היא הנגזרת של מקדם ההתפשטות התרמית ליניארית לפי אורך האובייקט והפרש הטמפרטורה). זוהי הגרסה הפשוטה ביותר של חוק זה, אשר כברירת מחדל לוקח בחשבון שהגוף מתרחב לכל הכיוונים בבת אחת. אבל לעבודה מעשית משתמשים בחישובים מסורבלים הרבה יותר, שכן במציאות חומרים מתנהגים בצורה שונה מאלה שעוצבו על ידי פיזיקאים ומתמטיקאים.
הרחבה תרמית של המסילה
מהנדסים פיזיים תמיד מעורבים בהנחת מסילת הרכבת, מכיוון שהם יכולים לחשב במדויק כמה מרחק צריך להיות בין מפרקי המסילה כדי שהמסילה לא יתעוותה בעת חימום או קירור.
כפי שהוזכר לעיל, התפשטות ליניארית תרמית חלה על כל המוצקים. והמסילה אינה יוצאת דופן. אבל יש פרט אחד. שינוי ליניארימתרחש באופן חופשי אם הגוף אינו מושפע מכוח החיכוך. המסילות מחוברות בקשיחות לאדנים ומולחמות למסילות סמוכות, כך שהחוק המתאר את השינוי באורך לוקח בחשבון התגברות על מכשולים בצורת התנגדות ליניארית והתנגדות קת.
אם מסילה לא יכולה לשנות את אורכה, אז עם שינוי בטמפרטורה, עולה בה הלחץ התרמי שיכול גם למתוח וגם לדחוס אותו. תופעה זו מתוארת בחוק הוק.
