395 Shares 7031 views

Termiczna rozszerzalność cząstek stałych i cieczy

Wiadomo, że pod wpływem ciepła cząstki przyspieszają ich chaotyczny ruch. Jeśli podgrzewasz gaz, cząsteczki, które się składają, po prostu latają. Ogrzany płyn najpierw zwiększa objętość, a następnie zacznie się odparowywać. A co się stanie z ciałami stałymi? Nie każdy z nich może zmienić swój stan zagregowany.

Rozszerzenie termiczne: definicja

Rozszerzenie termiczne to zmiana wymiarów i kształtu korpusów, gdy temperatura się zmienia. Matematycznie można obliczyć współczynnik rozszerzalności objętości, który pozwala przewidzieć zachowanie się gazów i cieczy w zmieniających się warunkach zewnętrznych. Aby uzyskać te same wyniki dla substancji stałych, należy wziąć pod uwagę współczynnik rozszerzalności liniowej. Fizycy zidentyfikowali całą sekcję tego typu badań i nazwali ją dylatometrią.

Inżynierowie i architekci potrzebują wiedzy na temat zachowania różnych materiałów pod wpływem wysokiej i niskiej temperatury przy projektowaniu budynków, dróg i rur.

Rozszerzenie gazów

Rozszerzeniu cieplnemu gazów towarzyszy wzrost ich objętości w kosmosie. Naturalnie filozofowie zauważyli to w czasach starożytnych, ale tylko nowoczesne fizykom można budować obliczenia matematyczne.

Przede wszystkim naukowcy byli zainteresowani rozwojem powietrza, ponieważ wydawało im się to wykonalne. Tak gorliwie angażowali się w przypadku, że mają dość sprzeczne wyniki. Naturalnie środowisko naukowe nie zadowoliło tego skutku. Dokładność pomiaru zależy od termometru stosowanego, pod ciśnieniem i na wielu innych warunkach. Niektórzy fizykom nawet doszli do wniosku, że ekspansja gazów nie zależy od zmian temperatury. Albo ta zależność nie jest kompletna …

Dzieła Daltona i Gay-Lussaca

Fizycy nadal dyskutowali, aż będą chrapliwi, lub zaniedbywali pomiary, z wyjątkiem Johna Daltona. On i inna fizyka, Gay-Lussac, w tym samym czasie niezależnie od siebie mogli uzyskać te same wyniki pomiarów.

Lussac próbował znaleźć przyczynę tak wielu różnych wyników i zauważył, że w niektórych urządzeniach w czasie eksperymentu była woda. Naturalnie podczas procesu ogrzewania zmienił się w opary i zmienił ilość i skład badanych gazów. Dlatego pierwsza rzecz, którą robił naukowiec, była staranne wysuszenie wszystkich przyrządów, które przeprowadził eksperyment, i wykluczył nawet minimalny procent wilgoci z badanego gazu. Po tych wszystkich manipulacjach, pierwsze kilka eksperymentów okazało się bardziej wiarygodne.

Dalton zajmował się tym problemem dłużej niż jego kolega i opublikował wyniki nawet na początku XIX wieku. Osuszył powietrze oparami kwasu siarkowego, a następnie ogrzał. Po serii eksperymentów John doszedł do wniosku, że wszystkie gazy i opary wzrastają o współczynnik 0,376. Lussac uzyskał numer 0.375. Stało się to oficjalnym wynikiem badania.

Elastyczność pary wodnej

Rozszerzenie cieplne gazów zależy od ich elastyczności, to jest zdolności powrotu do pierwotnej objętości. Pierwsze pytanie zaczęło badać Zieglera w połowie XVIII wieku. Ale wyniki jego eksperymentów były zbyt różne. Bardziej wiarygodne dane liczbowe zostały uzyskane przez James Watt, który używał kotła do wysokich temperatur i barometru niskich temperatur.

Pod koniec XVIII wieku francuska fizyka Prony próbowała wytworzyć jedną formułę, która opisywałaby elastyczność gazów, ale okazało się to zbyt kłopotliwe i trudne w użyciu. Dalton zdecydował się eksperymentalnie testować wszystkie obliczenia za pomocą barometru syfonu. Pomimo, że we wszystkich eksperymentach temperatura nie była taka sama, wyniki były bardzo dokładne. Dlatego opublikował je w formie stołu w podręczniku fizyki.

Teoria odparowywania

Termiczna ekspansja gazów (jako teoria fizyczna) uległa różnym zmianom. Naukowcy próbowali dojść do istoty procesów, w których wytwarzana jest para. Tutaj znów znany był już nam fizyk Dalton. Założył hipotezę, że każda przestrzeń jest nasycona oparami gazu, niezależnie od tego, czy w tym zbiorniku znajduje się inny gaz lub opary (pokój). W rezultacie można stwierdzić, że ciecz nie odparuje, po prostu styka się z powietrzem atmosferycznym.

Ciśnienie kolumny powietrza na powierzchni cieczy zwiększa przestrzeń pomiędzy atomami, rozerwanie ich na zewnątrz i odparowanie, to znaczy przyczynia się do powstawania pary wodnej. Siła grawitacji nadal działa na cząsteczkach pary, więc naukowcy uważali, że ciśnienie atmosferyczne nie wpływa na odparowanie cieczy.

Rozszerzenie cieczy

Rozszerzalność cieplną cieczy badano równolegle z rozwojem gazów. Badania naukowe zostały przeprowadzone przez tych samych naukowców. W tym celu użyto termometrów, aerometrów, naczyń komunikacyjnych i innych instrumentów.

Wszystkie eksperymenty razem i każda oddzielnie odrzuciła teorię Daltona, że jednorodne ciecze rozszerzają się proporcjonalnie do kwadratu temperatury, w której są ogrzewane. Oczywiście, im wyższa temperatura, tym większa jest objętość cieczy, ale nie ma bezpośredniego związku między nimi. I tempo rozprzestrzeniania się wszystkich cieczy było inne.

Rozszerzenie termiczne wody, na przykład, rozpoczyna się od zera stopni Celsjusza i kontynuuje spadek temperatury. Poprzednio wyniki tych eksperymentów wynikały z faktu, że woda nie rozszerza się, ale pojemność, w jakiej się znajduje, jest wąska. Jednak jakiś czas później fizyk Delyuk doszedł do wniosku, że należy szukać przyczyny w samej cieczy. Postanowił znaleźć temperaturę swojej największej gęstości. To jednak nie powiodło się z powodu zaniedbania pewnych szczegółów. Rumfort, który badał to zjawisko, stwierdził, że maksymalna gęstość wody obserwuje się w zakresie od 4 do 5 stopni Celsjusza.

Rozszerzenie cieplne ciał

W ciałach stałych głównym mechanizmem ekspansji jest zmiana amplitudy wibracji siatki krystalicznej. W prostych słowach atomy, które tworzą materiał i sztywno przylegają do siebie, zaczynają "drżeć".

Prawo rozszerzalności cieplnej ciał jest sformułowane następująco: dowolne ciało o wymiarze liniowym L w procesie nagrzewania przez dT (delta T jest różnicą między początkową temperaturą a końcową) rozszerza się o dL (delta L jest pochodną współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej przez długość przedmiotu, a przez różnicę Temperatura). Jest to najprostsza wersja tego prawa, która domyślnie uwzględnia fakt, że ciało wzrasta we wszystkich kierunkach. Ale w przypadku praktycznej pracy użyto dużo kłopotliwych obliczeń, ponieważ w rzeczywistości materiały zachowują się inaczej niż są modelowane przez fizyków i matematyków.

Rozszerzenie cieplne szyny

Przy układaniu torów kolejowych fizycy zawsze przyciągają uwagę, ponieważ mogą dokładnie obliczyć odległość pomiędzy złączami szyn, tak że podczas ogrzewania lub chłodzenia ścieżki nie są zdeformowane.

Jak wspomniano powyżej, termiczna rozszerzalność liniowa ma zastosowanie do wszystkich ciał stałych. A kolejka nie była wyjątkiem. Ale jest jeden szczegół. Zmiana liniowa następuje swobodnie, jeśli ciało nie jest narażone na tarcie. Szyny są sztywno przymocowane do podkładów i spawane do sąsiednich szyn, więc prawo, które opisuje zmianę długości, uwzględnia pokonywanie przeszkód w postaci biegania i oporu.

Jeśli szyna nie może zmienić jego długości, to wraz ze zmianą temperatury, rośnie jej stres cieplny, co może zarówno rozciągać jak i ściskać. Zjawisko to opisuje prawo Hooke'a.