Expansiunea termică a solidelor și lichidelor

Se știe că sub acțiunea căldurii particulele își accelerează mișcarea haotică. Dacă încălziți gazele, moleculele care o compun pur și simplu se împrăștie. Lichidul încălzit va crește mai întâi în volum și apoi va începe să se evapore. Și ce se va întâmpla cu corpurile solide? Nu fiecare dintre ele își poate schimba starea agregată.

Extinderea termică: definiție

Expansiunea termică este modificarea mărimii și a formei corpurilor atunci când temperatura se schimbă. Din punct de vedere matematic, este posibil să se calculeze coeficientul de expansiune a volumului, care permite prezicerea comportamentului gazelor și lichidelor în condițiile externe în schimbare. Pentru a obține aceleași rezultate pentru substanțele solide, este necesar să se ia în considerare coeficientul de expansiune liniară. Fizicienii au identificat o secțiune întreagă pentru acest tip de cercetare și l-au numit dilatometrie.

Inginerii și arhitecții au nevoie de cunoștințe despre comportamentul diferitelor materiale sub influența temperaturilor ridicate și joase pentru proiectarea clădirilor, drumurilor și conductelor.

Extinderea gazelor

Expansiunea termică a gazelor este însoțită de o extindere a volumului lor în spațiu. Filozofii naturali au observat acest lucru în vremurile străvechi, dar numai fizicienii moderni au reușit să construiască calcule matematice.

În primul rând, oamenii de știință au fost interesați de expansiunea aerului, deoarece i sa părut o sarcină fezabilă. Ei s-au angajat atât de zelos în afaceri că au rezultate destul de contradictorii. Desigur, comunitatea științifică nu a satisfăcut acest rezultat. Precizia măsurării depinde de termometrul utilizat, presiunea și multe alte condiții. Unii fizicieni au ajuns chiar la concluzia că extinderea gazelor nu depinde de schimbările de temperatură. Sau această dependență nu este completă ...

Lucrările lui Dalton și Gay-Lussac

Fizicienii ar continua să susțină până au fost răgușiți, sau ar neglija măsurătorile, dacă nu pentru John Dalton. El și un alt fizician, Gay-Lussac, în același timp independent unul față de celălalt, au reușit să obțină aceleași rezultate de măsurare.

Lussac încearcă să găsească motivul pentru atât de multe rezultate diferite și a observat că în unele dispozitive la momentul experimentului exista apă. În mod firesc, în timpul procesului de încălzire s-a transformat în vapori și a schimbat cantitatea și compoziția gazelor studiate. Prin urmare, primul lucru pe care omul de știință a făcut-o a fost să usuce cu atenție toate instrumentele pe care le folosea pentru a realiza experimentul și pentru a elimina chiar și procentul minim de umiditate din gazul studiat. După toate aceste manipulări, primele câteva experimente s-au dovedit mai fiabile.

Dalton sa ocupat de această problemă mai mult decât colegul său și a publicat rezultatele încă de la începutul secolului al XIX-lea. A uscat aerul cu vapori de acid sulfuric și apoi a încălzit-o. După o serie de experimente, John a ajuns la concluzia că toate gazele și vaporii se extind cu un coeficient de 0,376. Numărul lui Lussac era de 0,375. Acesta a fost rezultatul oficial al studiului.

Elasticitatea vaporilor de apă

Expansiunea termică a gazelor depinde de elasticitatea lor, adică de capacitatea de a reveni la volumul original. Primul care a studiat această problemă a fost Ziegler la mijlocul secolului al XVIII-lea. Dar rezultatele experimentelor sale erau prea diferite. S-au primit cifre mai fiabile 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 ar descrie elasticitatea de gaz, dar sa dovedit greoaie ciudat și dificil de utilizat. Dalton a decis să testeze experimental toate calculele folosind un barometru sifon pentru acest lucru. În ciuda faptului că temperatura nu a fost aceeași în toate experimentele, rezultatele au fost foarte precise. Prin urmare, le-a publicat sub formă de 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 esența proceselor în care se produce aburul. Aici am remarcat din nou deja cunoscutul fizician Dalton. El a emis ipoteza că orice spațiu este saturat cu vapori de gaz, indiferent dacă există vreun alt gaz sau vapori în acest rezervor (cameră). În consecință, se poate concluziona că lichidul nu se va evapora, pur și simplu în contact cu aerul atmosferic.

Presiunea coloanei de aer pe suprafața lichidului mărește spațiul dintre atomi, disturându-le și evaporând, adică contribuind la formarea de aburi. Dar forța gravitațională continuă să acționeze asupra moleculelor de vapori, astfel încât oamenii de știință au considerat că presiunea atmosferică nu afectează evaporarea lichidelor.

Extinderea lichidelor

Expansiunea termică a lichidelor a fost investigată în paralel cu expansiunea gazelor. Cercetarea științifică a fost efectuată de aceiași oameni de știință. Pentru aceasta, au folosit termometre, aerometre, vase de comunicare și alte instrumente.

Toate experimentele împreună și fiecare separat au respins teoria lui Dalton că lichidele omogene se extind proporțional cu pătratul temperaturii la care sunt încălzite. Desigur, cu cât este mai mare temperatura, cu atât este mai mare volumul de lichid, dar nu există o relație directă între ea. Și rata de expansiune pentru toate lichidele era diferită.

Expansiunea termică a apei, de exemplu, pornește de la zero grade Celsius și continuă cu o scădere a temperaturii. Anterior, aceste rezultate ale experimentelor au fost asociate cu faptul că nu apa însăși se extinde, dar capacitatea în care se află este îngustă. Dar ceva timp mai târziu, fizicianul Delyuk a ajuns totuși la concluzia că cauza trebuie căutată în lichidul însuși. El a decis să găsească temperatura celei mai mari densități. Cu toate acestea, acest lucru a eșuat din cauza neglijării anumitor detalii. Rumfort, care a studiat acest fenomen, a constatat că densitatea maximă a apei se observă în intervalul de 4 până la 5 grade Celsius.

Expansiunea termică a corpurilor

În substanțele solide, mecanismul principal de expansiune este schimbarea amplitudinii vibrațiilor de cristal. Cu cuvinte simple, atomii care alcătuiesc materialul și se aderă rigid unul la altul încep să "tremure".

Legea corpurilor de expansiune termică formulate după cum urmează: orice organism, cu o dimensiune L liniară în procesul de încălzire pe dT (delta T - diferența dintre temperatura inițială și finală) a extins cu o valoare dL (delta L - este un derivat al coeficientului de dilatare termică liniară în lungime a obiectului și diferența temperatura). Aceasta este cea mai simplă versiune a legii, care, în mod implicit ia în considerare faptul că organismul este extins în toate direcțiile dintr-o dată. Dar pentru lucrări practice folosind calcule mult mai greoaie, deoarece, în realitate, materialele nu se comportă ca fizica simulate și matematică.

Expansiunea termică a șinei

Pentru stabilire a căii ferate a atras întotdeauna ingineri fizicieni, deoarece acestea pot calcula exact cât de mult ar trebui să fie distanța între încheieturile șinelor de încălzire sau de răcire cale nu este deformată.

Așa cum am menționat deja mai sus, dilatarea termică liniară este aplicabilă pentru toate substanțele solide. Și trenul nu a fost o excepție. Dar există un detaliu. Schimbarea liniară apare liber dacă corpul nu este afectat de frecare. Șinele sunt fixate pe traverse și șine sunt sudate la adiacente, astfel încât legea, care descrie schimbarea în lungime, permite depășirea obstacolelor în formă de rulare și rezistența cap la cap.

Dacă șina nu își poate schimba lungimea, atunci cu o schimbare a temperaturii, stresul termic în el crește, ceea ce îl poate întinde și comprima. Acest fenomen este descris de legea lui Hooke.