Se știe că sub influența particulelor de căldură își accelerează mișcarea haotică. Dacă încălziți un gaz, atunci moleculele care îl compun se vor împrăștia pur și simplu unele de altele. Lichidul încălzit va crește mai întâi în volum, apoi va începe să se evapore. Ce se va întâmpla cu solidele? Nu fiecare dintre ele își poate schimba starea de agregare.
Definiția expansiunii termice
Dtinderea termică este o modificare a dimensiunii și formei corpurilor cu o schimbare a temperaturii. Din punct de vedere matematic, este posibil să se calculeze coeficientul de dilatare volumetrică, ceea ce face posibilă prezicerea comportamentului gazelor și lichidelor în condiții externe în schimbare. Pentru a obține aceleași rezultate pentru solide, trebuie luat în considerare coeficientul de dilatare liniară. Fizicienii au selectat o întreagă secțiune pentru acest tip de cercetare și au numit-o dilatometrie.
Inginerii și arhitecții au nevoie de cunoștințe despre comportamentul diferitelor materiale sub influența temperaturilor ridicate și scăzute pentru proiectarea clădirilor, așezarea drumurilor și a conductelor.
Expansiune pe gaz
Termicdilatarea gazelor este însoţită de dilatarea volumului lor în spaţiu. Acest lucru a fost observat de filozofii naturii în antichitate, dar numai fizicienii moderni au reușit să construiască calcule matematice.
În primul rând, oamenii de știință au devenit interesați de expansiunea aerului, deoarece li s-a părut o sarcină fezabilă. S-au pus la treabă cu atâta zel încât au obținut rezultate destul de contradictorii. Desigur, comunitatea științifică nu a fost mulțumită de un astfel de rezultat. Precizia măsurătorii depindea de termometrul folosit, presiunea și o varietate de alte condiții. Unii fizicieni au ajuns chiar la concluzia că expansiunea gazelor nu depinde de schimbările de temperatură. Sau această dependență este incompletă…
Lucrări de D alton și Gay-Lussac
Fizicienii ar continua să se certe până vor fi răgușiți sau ar fi abandonat măsurătorile dacă nu ar fi fost John D alton. El și un alt fizician, Gay-Lussac, au reușit să obțină în mod independent aceleași rezultate de măsurare în același timp.
Lussac a încercat să găsească motivul pentru atât de multe rezultate diferite și a observat că unele dintre dispozitivele din momentul experimentului aveau apă. Desigur, în procesul de încălzire, s-a transformat în abur și a schimbat cantitatea și compoziția gazelor studiate. Prin urmare, primul lucru pe care l-a făcut omul de știință a fost să usuce temeinic toate instrumentele pe care le-a folosit pentru a efectua experimentul și să excludă chiar și procentul minim de umiditate din gazul studiat. După toate aceste manipulări, primele câteva experimente s-au dovedit a fi mai de încredere.
D alton a tratat această problemă mai mult timpcolegul său și a publicat rezultatele chiar la începutul secolului al XIX-lea. A uscat aerul cu vapori de acid sulfuric și apoi l-a încălzit. După o serie de experimente, John a ajuns la concluzia că toate gazele și aburul se extind cu un factor de 0,376. Lussac a primit numărul 0,375. Acesta a devenit rezultatul oficial al studiului.
Elasticitatea vaporilor de apă
Dtinderea termică a gazelor depinde de elasticitatea lor, adică de capacitatea de a reveni la volumul inițial. Ziegler a fost primul care a investigat această problemă la mijlocul secolului al XVIII-lea. Dar rezultatele experimentelor sale au variat prea mult. Cifre mai sigure au fost obținute de James Watt, care a folosit un cazan pentru temperaturi ridicate și un barometru pentru temperaturi scăzute.
La sfârșitul secolului al XVIII-lea, fizicianul francez Prony a încercat să obțină o singură formulă care să descrie elasticitatea gazelor, dar s-a dovedit a fi prea greoaie și dificil de utilizat. D alton a decis să testeze toate calculele empiric, folosind un barometru cu sifon pentru aceasta. În ciuda faptului că temperatura nu a fost aceeași în toate experimentele, rezultatele au fost foarte precise. Așa că le-a publicat ca tabel în manualul său de fizică.
Teoria evaporării
Expansiunea termică a gazelor (ca teorie fizică) a suferit diverse modificări. Oamenii de știință au încercat să ajungă la fundul proceselor prin care este produs aburul. Din nou, cunoscutul fizician D alton s-a remarcat. El a emis ipoteza că orice spațiu este saturat cu vapori de gaz, indiferent dacă este prezent în acest rezervor(cameră) orice alt gaz sau abur. Prin urmare, se poate concluziona că lichidul nu se va evapora prin simpla intrare în contact cu aerul atmosferic.
Presiunea coloanei de aer pe suprafața lichidului crește spațiul dintre atomi, rupându-i și evaporându-se, adică contribuie la formarea aburului. Dar gravitația continuă să acționeze asupra moleculelor de vapori, așa că oamenii de știință au calculat că presiunea atmosferică nu are niciun efect asupra evaporării lichidelor.
Extinderea fluidelor
Dilatarea termică a lichidelor a fost investigată în paralel cu dilatarea gazelor. Aceiași oameni de știință erau implicați în cercetare științifică. Pentru a face acest lucru, au folosit termometre, aerometre, vase comunicante și alte instrumente.
Toate experimentele împreună și fiecare separat au respins teoria lui D alton conform căreia lichidele omogene se extind proporțional cu pătratul temperaturii la care sunt încălzite. Desigur, cu cât temperatura este mai mare, cu atât volumul lichidului este mai mare, dar nu a existat o relație directă între acesta. Da, iar viteza de expansiune a tuturor lichidelor a fost diferită.
Expansiunea termică a apei, de exemplu, începe la zero grade Celsius și continuă pe măsură ce temperatura scade. Anterior, astfel de rezultate ale experimentelor erau asociate cu faptul că nu apa în sine se extinde, ci recipientul în care se află se îngustează. Dar ceva timp mai târziu, fizicianul Deluca a ajuns totuși la concluzia că cauza ar trebui căutată în lichidul însuși. El a decis să găsească temperatura cu cea mai mare densitate. Cu toate acestea, nu a reușit din cauza neglijențeiunele detalii. Rumforth, care a studiat acest fenomen, a descoperit că densitatea maximă a apei se observă în intervalul de la 4 la 5 grade Celsius.
Extinderea termică a corpurilor
În solide, principalul mecanism de expansiune este o modificare a amplitudinii vibrațiilor rețelei cristaline. Cu cuvinte simple, atomii care alcătuiesc materialul și sunt legați rigid unul de celăl alt încep să „tremure”.
Legea dilatarii termice a corpurilor este formulata astfel: orice corp cu dimensiunea liniara L in procesul de incalzire prin dT (delta T este diferenta dintre temperatura initiala si temperatura finala), se extinde cu dL (delta L este derivata coeficientului de dilatare termică liniară după lungimea obiectului și diferența de temperatură). Aceasta este cea mai simplă versiune a acestei legi, care implicit ține cont de faptul că corpul se extinde în toate direcțiile deodată. Dar pentru munca practică se folosesc calcule mult mai greoaie, deoarece în realitate materialele se comportă diferit de cele modelate de fizicieni și matematicieni.
Dtinderea termică a șinei
Inginerii fizici sunt întotdeauna implicați în așezarea căii ferate, deoarece pot calcula cu exactitate câtă distanță ar trebui să fie între îmbinările șinelor, astfel încât șinele să nu se deformeze atunci când sunt încălzite sau răcite.
După cum sa menționat mai sus, dilatarea liniară termică este aplicabilă tuturor solidelor. Și șina nu face excepție. Dar există un detaliu. Schimbare liniarăapare liber dacă corpul nu este afectat de forța de frecare. Șinele sunt atașate rigid de traverse și sudate pe șinele adiacente, astfel încât legea care descrie modificarea lungimii ține cont de depășirea obstacolelor sub formă de rezistențe liniare și cap la cap.
Dacă o șină nu își poate schimba lungimea, atunci odată cu schimbarea temperaturii, stresul termic crește în ea, ceea ce o poate întinde și comprima. Acest fenomen este descris de Legea lui Hooke.
