من المعروف أنه تحت تأثير جزيئات الحرارة تسريع حركتها الفوضوية. إذا قمت بتسخين غاز ، فإن الجزيئات التي يتكون منها ستشتت ببساطة من بعضها البعض. سيزداد حجم السائل المسخن أولاً ، ثم يبدأ في التبخر. ماذا سيحدث للمواد الصلبة؟ لا يمكن لكل واحد منهم تغيير حالة التجميع.
تعريف التمدد الحراري
التمدد الحراري هو تغيير في حجم وشكل الأجسام مع تغير في درجة الحرارة. رياضيا ، من الممكن حساب معامل التمدد الحجمي ، مما يجعل من الممكن التنبؤ بسلوك الغازات والسوائل في الظروف الخارجية المتغيرة. للحصول على نفس النتائج للمواد الصلبة ، يجب أن يؤخذ معامل التمدد الخطي في الاعتبار. خصّ الفيزيائيون قسمًا كاملاً لهذا النوع من الأبحاث وأطلقوا عليه اسم قياس التوسيع.
يحتاج المهندسون والمعماريون إلى معرفة سلوك المواد المختلفة تحت تأثير درجات الحرارة العالية والمنخفضة لتصميم المباني ومد الطرق والأنابيب.
توسيع الغاز
حرارييصاحب توسع الغازات توسع حجمها في الفضاء. لاحظ الفلاسفة الطبيعيون هذا في العصور القديمة ، لكن الفيزيائيين المعاصرين فقط هم من تمكنوا من بناء حسابات رياضية.
بادئ ذي بدء ، أصبح العلماء مهتمين بتمدد الهواء ، حيث بدا لهم أنه مهمة مجدية. لقد شرعوا في العمل بحماس شديد لدرجة أنهم حصلوا على نتائج متناقضة إلى حد ما. بطبيعة الحال ، لم يكن المجتمع العلمي راضيا عن مثل هذه النتيجة. تعتمد دقة القياس على مقياس الحرارة المستخدم والضغط ومجموعة متنوعة من الشروط الأخرى. حتى أن بعض علماء الفيزياء توصلوا إلى استنتاج مفاده أن تمدد الغازات لا يعتمد على التغيرات في درجة الحرارة. أم أن هذا الإدمان غير مكتمل…
يعمل من قبل دالتون وجاي لوساك
سيستمر الفيزيائيون في الجدل حتى يصبحوا أجش أو قد تخلوا عن القياسات لولا جون دالتون. تمكن هو وعالم فيزياء آخر ، جاي لوساك ، من الحصول بشكل مستقل على نفس نتائج القياس في نفس الوقت.
حاول Lussac معرفة سبب العديد من النتائج المختلفة ولاحظ أن بعض الأجهزة في وقت التجربة بها ماء. وبطبيعة الحال ، في عملية التسخين ، تحولت إلى بخار وتغيرت كمية وتركيب الغازات المدروسة. لذلك ، كان أول شيء فعله العالم هو تجفيف جميع الأدوات التي استخدمها لإجراء التجربة تمامًا ، واستبعاد حتى الحد الأدنى من نسبة الرطوبة من الغاز قيد الدراسة. بعد كل هذه التلاعبات ، اتضح أن التجارب الأولى كانت أكثر موثوقية.
تعامل دالتون مع هذه القضية لفترة أطولونشر زميله النتائج في بداية القرن التاسع عشر. جفف الهواء ببخار حامض الكبريتيك ثم سخنه. بعد سلسلة من التجارب ، توصل جون إلى استنتاج مفاده أن جميع الغازات والبخار تتمدد بمعامل 0.376 ، وحصل لوساك على الرقم 0.375 ، وأصبحت هذه النتيجة الرسمية للدراسة.
مرونة بخار الماء
يعتمد التمدد الحراري للغازات على مرونتها ، أي القدرة على العودة إلى حجمها الأصلي. كان زيجلر أول من حقق في هذه القضية في منتصف القرن الثامن عشر. لكن نتائج تجاربه اختلفت كثيرًا. تم الحصول على أرقام أكثر موثوقية بواسطة James Watt ، الذي استخدم مرجلًا لدرجات الحرارة المرتفعة ومقياسًا لدرجات الحرارة المنخفضة.
في نهاية القرن الثامن عشر ، حاول الفيزيائي الفرنسي بروني استنباط صيغة واحدة تصف مرونة الغازات ، لكن اتضح أنها مرهقة للغاية وصعبة الاستخدام. قرر دالتون اختبار جميع الحسابات تجريبيًا ، باستخدام مقياس السيفون لهذا الغرض. على الرغم من أن درجة الحرارة لم تكن متماثلة في جميع التجارب ، إلا أن النتائج كانت دقيقة للغاية. لذلك نشرها كجدول في كتابه في الفيزياء.
نظرية التبخر
شهد التمدد الحراري للغازات (كنظرية فيزيائية) تغيرات مختلفة. حاول العلماء الوصول إلى الجزء السفلي من العمليات التي يتم من خلالها إنتاج البخار. هنا مرة أخرى ، ميز الفيزيائي المعروف دالتون نفسه. افترض أن أي مساحة مشبعة ببخار الغاز ، بغض النظر عما إذا كانت موجودة في هذا الخزان(غرفة) أي غاز أو بخار آخر. لذلك ، يمكن استنتاج أن السائل لن يتبخر بمجرد ملامسته للهواء الجوي.
ضغط عمود الهواء على سطح السائل يزيد الفراغ بين الذرات ويمزقها ويتبخر ، أي يساهم في تكوين البخار. لكن الجاذبية تستمر في التأثير على جزيئات البخار ، لذلك حسب العلماء أن الضغط الجوي ليس له أي تأثير على تبخر السوائل.
توسع السوائل
تم فحص التمدد الحراري للسوائل بالتوازي مع تمدد الغازات. شارك نفس العلماء في البحث العلمي. للقيام بذلك ، استخدموا موازين الحرارة ، ومقاييس الهواء ، والأوعية المتصلة وغيرها من الأدوات.
جميع التجارب معًا ودحض كل منها على حدة نظرية دالتون القائلة بأن السوائل المتجانسة تتمدد بما يتناسب مع مربع درجة الحرارة التي يتم تسخينها عليها. بالطبع ، كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زاد حجم السائل ، لكن لا توجد علاقة مباشرة بينهما. نعم ، ومعدل تمدد جميع السوائل كان مختلفا.
التمدد الحراري للماء ، على سبيل المثال ، يبدأ عند صفر درجة مئوية ويستمر مع انخفاض درجة الحرارة. في السابق ، كانت نتائج التجارب هذه مرتبطة بحقيقة أنه ليس الماء نفسه هو الذي يتمدد ، ولكن الحاوية التي يقع فيها تضيق. لكن بعد مرور بعض الوقت ، توصل الفيزيائي ديلوكا إلى استنتاج مفاده أنه يجب البحث عن السبب في السائل نفسه. قرر إيجاد درجة حرارة أكبر كثافة لها. ومع ذلك ، لم ينجح بسبب الإهمالبعض التفاصيل. وجد رومفورث الذي درس هذه الظاهرة أن أقصى كثافة للماء لوحظت في المدى من 4 إلى 5 درجات مئوية.
التمدد الحراري للهيئات
في المواد الصلبة ، تتمثل الآلية الرئيسية للتمدد في تغيير سعة اهتزازات الشبكة البلورية. بكلمات بسيطة ، تبدأ الذرات التي تتكون منها المادة والمرتبطة ببعضها البعض بشكل صارم في "الارتعاش".
تمت صياغة قانون التمدد الحراري للأجسام على النحو التالي: أي جسم بحجم خطي L في عملية التسخين بواسطة dT (دلتا T هي الفرق بين درجة الحرارة الأولية ودرجة الحرارة النهائية) ، يتمدد بمقدار dL (دلتا L هي مشتق من معامل التمدد الحراري الخطي حسب طول الجسم وفرق درجة الحرارة). هذا هو أبسط نسخة من هذا القانون ، والذي يأخذ في الاعتبار بشكل افتراضي أن الجسم يتمدد في جميع الاتجاهات في وقت واحد. ولكن بالنسبة للعمل العملي ، يتم استخدام حسابات أكثر تعقيدًا ، نظرًا لأن المواد في الواقع تتصرف بشكل مختلف عن تلك التي يصممها علماء الفيزياء والرياضيات.
التمدد الحراري للسكك الحديدية
يشارك المهندسون الفيزيائيون دائمًا في وضع مسار السكة الحديد ، حيث يمكنهم بدقة حساب المسافة التي يجب أن تكون بين مفاصل السكك الحديدية بحيث لا تتشوه المسارات عند تسخينها أو تبريدها.
كما ذكرنا سابقًا ، ينطبق التمدد الخطي الحراري على جميع المواد الصلبة. والسكك الحديدية ليست استثناء. لكن هناك تفصيل واحد. التغيير الخطييحدث بحرية إذا لم يتأثر الجسم بقوة الاحتكاك. يتم ربط القضبان بشكل صارم بالعوارض ويتم لحامها بالقضبان المجاورة ، لذا فإن القانون الذي يصف التغيير في الطول يأخذ في الاعتبار التغلب على العوائق في شكل مقاومات خطية ومقاومة.
إذا لم تستطع السكة تغيير طولها ، فعند حدوث تغير في درجة الحرارة ، يزداد الإجهاد الحراري فيها ، مما قد يؤدي إلى شدها وضغطها. هذه الظاهرة موصوفة في قانون هوك.
