Toplotna ekspanzija trdnih snovi in ​​tekočin

Znano je, da delci pospešujejo njihovo kaotično gibanje pod vplivom vročine. Če segrejete plin, molekule, ki jih sestavljajo, preprosto preletite. Ogrevana tekočina se bo najprej povečala, nato pa se bo začela izhlapevati. In kaj se bo zgodilo s trdnimi telesi? Vsaka od njih ne more spremeniti agregatnega stanja.

Toplotna ekspanzija: definicija

Termična ekspanzija je sprememba velikosti in oblike teles, ko se temperatura spremeni. Matematično je mogoče izračunati koeficient povečane prostornine, kar omogoča napovedovanje obnašanja plinov in tekočin pri spreminjanju zunanjih pogojev. Da bi dobili enake rezultate za trdne snovi, je treba upoštevati koeficient linearne ekspanzije. Fiziki so za to vrsto raziskav opredelili celoten odsek in ga poimenovali dilatometrija.

Inženirji in arhitekti potrebujejo znanje o obnašanju različnih materialov pod vplivom visoke in nizke temperature pri načrtovanju stavb, cest in cevi.

Razširitev plinov

Toplotno raztezanje plinov spremlja povečanje njihove prostornine v prostoru. Naravni filozofi so to opazili v starih časih, vendar so le sodobni fiziki uspeli zgraditi matematične izračune.

Najprej so se znanstveniki zanimali za širjenje zraka, saj se jim zdi izvedljiva naloga. Tako poslovno so se ukvarjali s poslovanjem, da so imeli precej nasprotujoče si rezultate. Seveda znanstvena skupnost tega ni zadovoljila. Točnost meritev je odvisna od uporabljenega termometra, tlaka in mnogih drugih pogojev. Nekateri fiziki so celo prišli do zaključka, da širitev plinov ni odvisna od temperaturnih sprememb. Ali ta odvisnost ni popolna ...

Dela Daltona in Gay-Lussac

Fiziki bi še naprej trdili, dokler niso bili hripavi, ali bi zanemarili meritve, če ne za John Dalton. On in še en fizik, Gay-Lussac, so hkrati neodvisno drug od drugega dobili enake merilne rezultate.

Lussac je poskušal najti razlog za toliko različnih rezultatov in opazil, da je v nekaterih napravah v času eksperimenta prišlo do vode. Seveda se je med ogrevanjem spremenilo v paro in spremenilo količino in sestavo plinov, ki se jih je proučevalo. Zato je prva stvar, ki jo je storil znanstvenik, skrbno posušiti vse instrumente, ki jih je uporabil za izvedbo eksperimenta, in odstraniti celo najmanjši odstotek vlage iz preučevanega plina. Po vseh teh manipulacijah se je prvih nekaj poskusov izkazalo kot zanesljivejše.

Dalton je to vprašanje obravnaval dlje kot njegov kolega in rezultate objavil že v začetku XIX. Stoletja. Osušil je zrak s hlapi žveplove kisline in jo nato segreval. Po več poskusih je John ugotovil, da se vsi plini in hlapi povečajo za koeficient 0,376. Lussacova številka je bila 0,375. To je bil uradni rezultat študije.

Elastičnost vodne pare

Toplotna ekspanzija plinov je odvisna od njihove elastičnosti, to je možnosti, da se vrne na prvotni volumen. Prvi, ki je preučeval to težavo, je bil sredi osemnajstega stoletja Ziegler. Toda rezultati njegovih poskusov so bili preveč drugačni. Prejmete zanesljivejše podatke James Watt, ki je uporabljal kotel za visoke temperature in barometer za nizke temperature.

Na koncu francoski fizik v XVIII stoletja Prony poskušal izpeljati ene same formule, ki bi opisali elastičnost plina, vendar se je izkazalo, čudno nerodno in težko uporabljati. Dalton se je odločil, da eksperimentalno preizkusi vse izračune s pomočjo sifonskega barometra za to. Kljub dejstvu, da temperatura v vseh poskusih ni bila enaka, so bili rezultati zelo natančni. Zato jih je objavil v obliki mize v svojem učbeniku o fiziki.

Teorija izhlapevanja

Termična ekspanzija plinov (kot fizikalna teorija) je doživela različne spremembe. Znanstveniki so poskušali priti do bistva procesov, v katerih se proizvaja para. Tukaj nas spet odlikuje že znan fizik Dalton. Domneval je, da je ves prostor nasičen s plinskimi hlapi, ne glede na to, ali je v tem rezervoarju (prostor) prisoten kakšen drug plin ali par. Zato lahko sklepamo, da tekočina ne bo izhlapela, pri čemer pride v stik s atmosferskim zrakom.

Tlak kolone zraka na površini tekočine poveča prostor med atomi, ki jih raztrga in izhlapi, kar prispeva k nastanku pare. Toda sila teže še naprej deluje na molekule hlapov, zato so znanstveniki menili, da atmosferski tlak ne vpliva na izhlapevanje tekočin.

Širitev tekočin

Vzporedno z ekspanzijo plinov smo raziskali toplotno raztezanje tekočin. Znanstvene raziskave so opravili isti znanstveniki. Za to so uporabili termometre, aerometre, komunikacijske posode in druge instrumente.

Vsi poskusi skupaj in vsaka posebej ločena Daltonova teorija, da se homogene tekočine razširijo v sorazmerju s kvadratom temperature, pri kateri se segrejejo. Seveda je višja temperatura, večja je količina tekočine, vendar med njimi ni bilo nobene neposredne povezave. In stopnja razširitve za vse tekočine je bila drugačna.

Termična ekspanzija vode, na primer, se začne od nič stopinj Celzija in se nadaljuje z zmanjšanjem temperature. Prej so bili ti rezultati poskusov povezani z dejstvom, da se voda ne razširi, vendar se zmogljivost, v kateri se nahaja, zoži. Toda nekaj časa kasneje je fizik Delyuk kljub temu prišel do zaključka, da je vzrok treba iskati v tekoči snov. Odločil se je najti temperaturo svoje največje gostote. Vendar pa to ni uspelo zaradi zanemarjanja določenih podrobnosti. Rumfort, ki je preučeval ta pojav, je ugotovil, da je največja gostota vode opazna v razponu od 4 do 5 stopinj Celzija.

Toplotna ekspanzija teles

V trdnih delih je glavni mehanizem ekspanzije sprememba amplitude vibracij kristalne rešetke. Z enostavnimi besedami se atomi, ki tvorijo material in tesno spoštujejo drug drugega, "trepetajo".

Pravo termične ekspanzije teles formuliran kot sledi: vsak organ z linearno razsežnost L pri procesu segrevanja na dT (delta T - razlika med začetno temperaturo in končno) z količini dl (delta L ekspandiranega - je derivat koeficienta linearne toplotne razteznosti v dolžino predmeta in razlike temperatura). To je najpreprostejša različica tega zakona, ki privzeto upošteva, da se telo takoj razširi v vse smeri. Ampak za praktično delo z uporabo veliko bolj okorne izračune, saj je v resnici, ne materiali ne obnašajo kot simulacijo fizike in matematike.

Toplotna ekspanzija železnice

Za polaganje železniško progo že od nekdaj privlači fiziki inženirjev, saj lahko izračunamo, kako natančno je treba veliko razdaljo med sklepih tirnic za ogrevanje ali hlajenje pot se ne deformira.

Kot smo že omenili, se za vse trdne snovi uporablja toplotna linearna ekspanzija. In železnica ni bila izjema. Vendar obstaja ena podrobnost. Linearno spremembo se prosto pojavi, če telo ne vpliva na trenje. Vodila so pritrjene na pragove in tirnice so varjene na meji, tako da je pravo, ki opisuje spremembe v dolžini, omogoča premagovanje ovir v obliki teka, in odpornost riti.

Če tračnica ne more spremeniti svoje dolžine, potem s spremembo temperature, toplotna napetost v njej raste, kar se lahko tako raztegne in stisne. Ta pojav opisuje Hookov zakon.