Топлинно разширение на твърди вещества и течности

Известно е, че под действието на топлината частиците ускоряват своето хаотично движение. Ако загрявате газа, молекулите, които го правят, просто се разделят. Загряваната течност първо ще се увеличи в обем и след това тя ще започне да се изпарява. И какво ще се случи с твърди тела? Не всеки от тях може да промени общото си състояние.

Термична експанзия: определение

Термичното разширение е промяната в размера и формата на телата, когато температурата се промени. Математически е възможно да се изчисли коефициентът на разширяване на обема, който позволява прогнозиране на поведението на газовете и течностите при променящите се външни условия. За да се получат същите резултати за твърдите вещества, е необходимо да се вземе под внимание коефициент на линейно разширение. Физиците са идентифицирали цял раздел за този вид изследвания и го нарекли дилататометрия.

Инженерите и архитектите се нуждаят от познания за поведението на различни материали под въздействието на високи и ниски температури за проектиране на сгради, пътища и тръби.

Разширяване на газовете

Термичното разширяване на газовете е придружено от увеличаване на техния обем в пространството. Естествените философи са забелязали това в древни времена, но само съвременните физици са успели да изградят математически изчисления.

На първо място, учените се интересуваха от разширяването на въздуха, тъй като им се струваше изпълнима задача. Те се захванали толкова активно в бизнеса, че имат доста противоречиви резултати. Разбира се, научната общност не постига такъв резултат. Точността на измерването зависи от използвания термометър, налягането и много други условия. Някои физици дори стигнаха до извода, че разширяването на газовете не зависи от температурните промени. Или тази зависимост не е пълна ...

Работите на Далтон и Гей-Лусак

Физиците ще продължат да спорят, докато не са дрезгави, или ще пренебрегнат измерванията, ако не Джон Далтън. Той и друг физик, Гей-Лусак, в същото време независимо един от друг, успяват да получат същите резултати от измерването.

Лусак се опитваше да намери причината за толкова много различни резултати и забеляза, че в някои устройства по време на експеримента имало вода. Естествено, по време на процеса на нагряване се превърна в пара и промени количеството и състава на изследваните газове. Ето защо първото нещо, което ученът направи, беше да изсуши внимателно всички инструменти, които е използвал, за да извърши експеримента и да елиминира дори минималния процент на влагата от проучвания газ. След всички тези манипулации, първите няколко експеримента се оказаха по-надеждни.

Далтън се занимава с този проблем по-дълго от колегата си и публикува резултатите още в самото начало на XIX век. Той изсушава въздуха с изпарения от сярна киселина и след това го загрява. След серия от експерименти Джон стигна до извода, че всички газове и пари се разширяват с коефициент от 0,376. Броят на Лусак е 0.375. Това беше официалният резултат от проучването.

Еластичност на водните пари

Термичното разширяване на газовете зависи от еластичността им, т.е. от способността за връщане към първоначалния обем. Първият, който проучи този въпрос, беше Зиглер в средата на осемнадесети век. Но резултатите от неговите експерименти бяха твърде различни. Получени са по-надеждни цифри Джеймс Уат, който използваше котел за високи температури и барометър за ниски температури.

В края на френския физик ХVIII век Prony опитва да извлече една единствена формула, която ще опише еластичността на газ, но се оказа, странно тромаво и трудно за използване. Dalton реши да експериментира всички изчисления с помощта на сифонен барометър за това. Въпреки факта, че температурата не е еднаква при всички експерименти, резултатите са много точни. Затова той ги публикува под формата на таблица в учебника по физика.

Теория на изпаренията

Термичното разширяване на газовете (като физическа теория) е претърпяло различни промени. Учените са се опитали да стигнат до същността на процесите, при които се произвежда парата. Тук отново отличавахме вече познатия ни физик Далтон. Той предположи, че всяко пространство е наситено с газови изпарения, независимо дали в този резервоар (стая) има някакъв друг газ или пара. Следователно, може да се заключи, че течността няма да се изпари, просто да влезе в контакт с атмосферния въздух.

Налягането на колоната от въздух върху повърхността на течността увеличава пространството между атомите, разкъсвайки ги и изпарявайки се, т.е. допринасяйки за образуването на пара. Но силата на гравитацията продължава да действа върху молекулите на парата, така че учените считат, че атмосферното налягане не влияе на изпарението на течности.

Разширяване на течностите

Термичното разширение на течностите се изследва успоредно с разширяването на газовете. Научните изследвания бяха проведени от същите учени. За тази цел те използват термометри, аерометри, комуникационни съдове и други инструменти.

Всички експерименти заедно и всеки отделно отхвърлиха теорията на Далтон, че хомогенните течности се простират пропорционално на квадрата на температурата, при която се нагряват. Разбира се, колкото по-висока е температурата, толкова по-голям е обема на течността, но няма пряка връзка между нея. И скоростта на разширяване за всички течности беше различна.

Топлинното разширение на водата например започва от нула градуса по Целзий и продължава с намаляване на температурата. По-рано, тези експериментални резултати, свързани с факта, че самата вода не се разширява, а контейнерът е заострени, в която се намира. Но известно време по-късно физикът Делюк стига до заключението, че причината трябва да се търси в самата течност. Реши да намери температурата на най-голямата си плътност. Това обаче не успя поради пренебрегване на някои подробности. Rumfort, който е изследван това явление, установено, че максималната плътност на вода се наблюдава в обхвата от 4 до 5 градуса по Целзий.

Термично разширяване на телата

При твърдите вещества основният механизъм на разширение е промяната в амплитудата на вибрациите на кристалната решетка. С прости думи, атомите, които съставят материала и здраво се придържат един към друг, започват да "треперят".

Право на термично разширение органи формулирани както следва: всеки орган с линеен размер L в процеса на нагряване на дТ (делта Т - разликата между началната температура и финала) разширена със сума дл (делта L - е производно на коефициент на линейно термично разширение по дължина на обекта и разликата температура). Това е най-простата версия на този закон, която по подразбиране взема под внимание, че тялото се разширява незабавно във всички посоки. Но за практическа работа се използват много по-тромави изчисления, тъй като в действителност материалите се държат по различен начин от тези, които са симулирани от физиците и математиците.

Термично разширяване на релсите

За полагане на железния път винаги е привличала физици инженери, тъй като те може да се изчисли точно колко трябва да бъде много разстояние между ставите на релсите на отопление или охлаждане път не се деформира.

Както вече бе споменато по-горе, термичното линейно разширение е приложимо за всички твърди вещества. А железопътната линия не беше изключение. Но има един детайл. Линейна промяна свободно се получава, ако тялото не е засегнато от триене. Релсите са фиксирани към траверсите и релсите са заварени в непосредствена близост, така че законът, който описва промяната в дължината, дава възможност за преодоляване на пречките под формата на работа, както и съпротивата задника.

Ако железопътната линия не може да промени дължината си, тогава с промяна в температурата, топлинният стрес в нея нараства, което може да се разтегли и компресира. Това явление е описано от закона на Хоук.