Известно е, че под въздействието на топлина частиците ускоряват хаотичното си движение. Ако загреете газ, тогава молекулите, които го изграждат, просто ще се разпръснат една от друга. Нагрятата течност първо ще увеличи обема си и след това ще започне да се изпарява. Какво ще стане с твърдите вещества? Не всеки от тях може да промени състоянието си на агрегатиране.
Определение на термичното разширение
Термичното разширение е промяна в размера и формата на телата с промяна в температурата. Математически е възможно да се изчисли коефициентът на обемно разширение, което дава възможност да се предскаже поведението на газовете и течностите при променящи се външни условия. За да получите същите резултати за твърди тела, трябва да се вземе предвид коефициентът на линейно разширение. Физиците са отделили цял раздел за този вид изследвания и са го нарекли дилатометрия.
Инженерите и архитектите се нуждаят от познания за поведението на различните материали под въздействието на високи и ниски температури за проектиране на сгради, полагане на пътища и тръби.
Разширение на газ
Термиченразширяването на газовете е придружено от разширяване на обема им в пространството. Това е забелязано от натурфилософите в древни времена, но само съвременните физици успяват да изградят математически изчисления.
На първо място, учените се интересуват от разширяването на въздуха, тъй като им се струваше осъществима задача. Те се захванаха с работата толкова ревностно, че получиха доста противоречиви резултати. Естествено, научната общност не беше доволна от такъв резултат. Точността на измерването зависи от това кой термометър е бил използван, налягането и редица други условия. Някои физици дори стигат до заключението, че разширяването на газовете не зависи от промените в температурата. Или тази зависимост е непълна…
Произведения на Далтън и Гей-Люсак
Физиците щяха да продължат да спорят, докато не станат дрезгави или щяха да изоставят измерванията, ако не беше Джон Далтън. Той и друг физик, Гей-Люсак, успяха независимо да получат същите резултати от измерването по едно и също време.
Lussac се опита да намери причината за толкова много различни резултати и забеляза, че някои от устройствата по време на експеримента имат вода. Естествено, в процеса на нагряване той се превръща в пара и променя количеството и състава на изследваните газове. Следователно първото нещо, което ученият направи, беше да изсуши добре всички инструменти, които използва за провеждане на експеримента, и да изключи дори минималния процент влага от изследвания газ. След всички тези манипулации първите няколко експеримента се оказаха по-надеждни.
Далтън се занимаваше с този проблем по-дългонегов колега и публикува резултатите в самото начало на 19 век. Той изсуши въздуха с изпарения на сярна киселина и след това го нагрява. След поредица от експерименти Джон стига до заключението, че всички газове и пара се разширяват с коефициент 0,376. Лусак получи числото 0,375. Това стана официалният резултат от изследването.
Еластичност на водната пара
Термичното разширение на газовете зависи от тяхната еластичност, тоест от способността да се върнат към първоначалния си обем. Циглер е първият, който изследва този въпрос в средата на осемнадесети век. Но резултатите от неговите експерименти варираха твърде много. По-надеждни данни са получени от Джеймс Уат, който използва котел за високи температури и барометър за ниски температури.
В края на 18-ти век френският физик Прони се опитва да изведе една-единствена формула, която да описва еластичността на газовете, но се оказва твърде тромава и трудна за използване. Далтън реши да тества всички изчисления емпирично, като използва за това сифонен барометър. Въпреки факта, че температурата не беше еднаква във всички експерименти, резултатите бяха много точни. Затова ги публикува като таблица в учебника си по физика.
Теория на изпарението
Термичното разширение на газовете (като физическа теория) е претърпяло различни промени. Учените се опитаха да стигнат до дъното на процесите, чрез които се произвежда пара. Тук отново се отличи известният физик Далтън. Той предположи, че всяко пространство е наситено с газови пари, независимо дали те присъстват в този резервоар(стая) всеки друг газ или пара. Следователно може да се заключи, че течността няма да се изпари просто като влезе в контакт с атмосферния въздух.
Налягането на въздушния стълб върху повърхността на течността увеличава пространството между атомите, като ги разкъсва и се изпарява, тоест допринася за образуването на пара. Но гравитацията продължава да действа върху молекулите на парите, така че учените изчислиха, че атмосферното налягане няма ефект върху изпаряването на течностите.
Разширяване на течности
Термичното разширение на течностите беше изследвано успоредно с разширението на газовете. Същите учени се занимаваха с научни изследвания. За да направят това, те използваха термометри, аерометри, комуникационни съдове и други инструменти.
Всички експерименти заедно и всеки поотделно опровергават теорията на Далтън, че хомогенните течности се разширяват пропорционално на квадрата на температурата, до която се нагряват. Разбира се, колкото по-висока е температурата, толкова по-голям е обемът на течността, но няма пряка връзка между нея. Да, и скоростта на разширение на всички течности беше различна.
Термичното разширение на водата, например, започва при нула градуса по Целзий и продължава, когато температурата пада. Преди това подобни резултати от експерименти бяха свързани с факта, че не самата вода се разширява, а контейнерът, в който се намира, се стеснява. Но известно време по-късно физикът Делука все пак стига до заключението, че причината трябва да се търси в самата течност. Той реши да намери температурата на най-голямата му плътност. Той обаче не успя поради небрежностнякои подробности. Румфорт, който изучава това явление, установява, че максималната плътност на водата се наблюдава в диапазона от 4 до 5 градуса по Целзий.
Термично разширение на тела
В твърдите тела основният механизъм на разширение е промяна в амплитудата на вибрациите на кристалната решетка. С прости думи, атомите, които изграждат материала и са здраво свързани един с друг, започват да „треперят“.
Законът за термичното разширение на телата се формулира по следния начин: всяко тяло с линеен размер L в процеса на нагряване с dT (делта T е разликата между началната температура и крайната температура), се разширява с dL (делта L е производната на коефициента на линейно топлинно разширение по дължина на обекта и температурна разлика). Това е най-простата версия на този закон, която по подразбиране отчита, че тялото се разширява във всички посоки наведнъж. Но за практическа работа се използват много по-тромави изчисления, тъй като в действителност материалите се държат различно от тези, моделирани от физици и математици.
Термично разширение на релсата
Физическите инженери винаги участват в полагането на железопътната линия, тъй като те могат точно да изчислят колко разстояние трябва да бъде между релсовите връзки, така че релсите да не се деформират при нагряване или охлаждане..
Както споменахме по-горе, термичното линейно разширение е приложимо за всички твърди тела. И релсата не е изключение. Но има една подробност. Линейна промянасе случва свободно, ако тялото не е засегнато от силата на триене. Релсите са здраво закрепени към траверсите и заварени към съседни релси, така че законът, който описва промяната в дължината, отчита преодоляването на препятствия под формата на линейни и челни съпротивления..
Ако релсата не може да промени дължината си, тогава с промяна на температурата в нея се увеличава термичното напрежение, което може да я разтегне и компресира. Това явление се описва от закона на Хук.
