Είναι γνωστό ότι υπό την επίδραση της θερμότητας τα σωματίδια επιταχύνουν τη χαοτική κίνησή τους. Εάν θερμάνετε ένα αέριο, τότε τα μόρια που το αποτελούν απλώς θα διασκορπιστούν το ένα από το άλλο. Το θερμαινόμενο υγρό θα αυξηθεί πρώτα σε όγκο και στη συνέχεια θα αρχίσει να εξατμίζεται. Τι θα γίνει με τα στερεά; Δεν μπορεί καθένα από αυτά να αλλάξει την κατάσταση συνάθροισής του.
Ορισμός θερμικής διαστολής
Θερμική διαστολή είναι μια αλλαγή στο μέγεθος και το σχήμα των σωμάτων με αλλαγή της θερμοκρασίας. Μαθηματικά, είναι δυνατός ο υπολογισμός του ογκομετρικού συντελεστή διαστολής, ο οποίος καθιστά δυνατή την πρόβλεψη της συμπεριφοράς αερίων και υγρών σε μεταβαλλόμενες εξωτερικές συνθήκες. Για να ληφθούν τα ίδια αποτελέσματα για τα στερεά, πρέπει να ληφθεί υπόψη ο συντελεστής γραμμικής διαστολής. Οι φυσικοί έχουν ξεχωρίσει μια ολόκληρη ενότητα για αυτού του είδους την έρευνα και την ονόμασαν διαλατομετρία.
Οι μηχανικοί και οι αρχιτέκτονες χρειάζονται γνώση σχετικά με τη συμπεριφορά διαφορετικών υλικών υπό την επίδραση υψηλών και χαμηλών θερμοκρασιών για το σχεδιασμό κτιρίων, την τοποθέτηση δρόμων και σωλήνων.
Επέκταση αερίου
Θερμικόη διαστολή των αερίων συνοδεύεται από την επέκταση του όγκου τους στο χώρο. Αυτό το παρατήρησαν οι φυσικοί φιλόσοφοι στην αρχαιότητα, αλλά μόνο οι σύγχρονοι φυσικοί κατάφεραν να δημιουργήσουν μαθηματικούς υπολογισμούς.
Πρώτα από όλα, οι επιστήμονες ενδιαφέρθηκαν για τη διαστολή του αέρα, καθώς τους φαινόταν εφικτό έργο. Ξεκίνησαν τη δουλειά τους με τόσο ζήλο που είχαν μάλλον αντιφατικά αποτελέσματα. Όπως ήταν φυσικό, η επιστημονική κοινότητα δεν ήταν ικανοποιημένη με ένα τέτοιο αποτέλεσμα. Η ακρίβεια της μέτρησης εξαρτιόταν από το θερμόμετρο που χρησιμοποιήθηκε, την πίεση και μια ποικιλία άλλων συνθηκών. Μερικοί φυσικοί έχουν καταλήξει ακόμη στο συμπέρασμα ότι η διαστολή των αερίων δεν εξαρτάται από τις αλλαγές της θερμοκρασίας. Ή είναι ατελής αυτός ο εθισμός…
Έργα των D alton και Gay-Lussac
Οι φυσικοί θα συνέχιζαν να διαφωνούν μέχρι να γίνουν βραχνοί ή θα είχαν εγκαταλείψει τις μετρήσεις αν δεν ήταν ο John D alton. Αυτός και ένας άλλος φυσικός, ο Gay-Lussac, μπόρεσαν να λάβουν ανεξάρτητα τα ίδια αποτελέσματα μετρήσεων την ίδια στιγμή.
Lussac προσπάθησε να βρει την αιτία για τόσα πολλά διαφορετικά αποτελέσματα και παρατήρησε ότι ορισμένες από τις συσκευές τη στιγμή του πειράματος είχαν νερό. Όπως ήταν φυσικό, κατά τη διαδικασία της θέρμανσης, μετατράπηκε σε ατμό και άλλαξε την ποσότητα και τη σύσταση των αερίων που μελετήθηκαν. Επομένως, το πρώτο πράγμα που έκανε ο επιστήμονας ήταν να στεγνώσει καλά όλα τα όργανα που χρησιμοποίησε για τη διεξαγωγή του πειράματος και να αποκλείσει ακόμη και το ελάχιστο ποσοστό υγρασίας από το υπό μελέτη αέριο. Μετά από όλους αυτούς τους χειρισμούς, τα πρώτα πειράματα αποδείχθηκαν πιο αξιόπιστα.
Ο Ο Ντάλτον ασχολήθηκε περισσότερο με αυτό το θέμασυνάδελφό του και δημοσίευσε τα αποτελέσματα στις αρχές κιόλας του 19ου αιώνα. Στέγνωσε τον αέρα με ατμό θειικού οξέος και μετά τον ζέστανε. Μετά από μια σειρά πειραμάτων, ο John κατέληξε στο συμπέρασμα ότι όλα τα αέρια και ο ατμός διαστέλλονται κατά 0,376. Ο Lussac πήρε τον αριθμό 0,375. Αυτό έγινε το επίσημο αποτέλεσμα της μελέτης.
Ελαστικότητα υδρατμών
Η θερμική διαστολή των αερίων εξαρτάται από την ελαστικότητά τους, δηλαδή από την ικανότητα επιστροφής στον αρχικό τους όγκο. Ο Ziegler ήταν ο πρώτος που ερεύνησε αυτό το θέμα στα μέσα του δέκατου όγδοου αιώνα. Όμως τα αποτελέσματα των πειραμάτων του διέφεραν πάρα πολύ. Πιο αξιόπιστα στοιχεία ελήφθησαν από τον James Watt, ο οποίος χρησιμοποίησε ένα καζάνι για τις υψηλές θερμοκρασίες και ένα βαρόμετρο για τις χαμηλές θερμοκρασίες.
Στα τέλη του 18ου αιώνα, ο Γάλλος φυσικός Prony προσπάθησε να εξαγάγει έναν ενιαίο τύπο που θα περιέγραφε την ελαστικότητα των αερίων, αλλά αποδείχθηκε ότι ήταν πολύ δυσκίνητος και δύσκολος στη χρήση. Ο D alton αποφάσισε να δοκιμάσει όλους τους υπολογισμούς εμπειρικά, χρησιμοποιώντας ένα βαρόμετρο σιφόνι για αυτό. Παρά το γεγονός ότι η θερμοκρασία δεν ήταν ίδια σε όλα τα πειράματα, τα αποτελέσματα ήταν πολύ ακριβή. Τα δημοσίευσε λοιπόν ως πίνακα στο εγχειρίδιο φυσικής του.
Θεωρία εξάτμισης
Η θερμική διαστολή των αερίων (ως φυσική θεωρία) έχει υποστεί διάφορες αλλαγές. Οι επιστήμονες προσπάθησαν να φτάσουν στο βάθος των διαδικασιών με τις οποίες παράγεται ατμός. Και εδώ ξεχώρισε ο γνωστός φυσικός Ντάλτον. Υπέθεσε ότι οποιοσδήποτε χώρος είναι κορεσμένος με ατμούς αερίου, ανεξάρτητα από το αν υπάρχει σε αυτή τη δεξαμενή(δωμάτιο) οποιοδήποτε άλλο αέριο ή ατμός. Ως εκ τούτου, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι το υγρό δεν θα εξατμιστεί απλώς έρχεται σε επαφή με τον ατμοσφαιρικό αέρα.
Η πίεση της στήλης αέρα στην επιφάνεια του υγρού αυξάνει τον χώρο μεταξύ των ατόμων, τα σχίζει και τα εξατμίζει, συμβάλλει δηλαδή στον σχηματισμό ατμού. Όμως η βαρύτητα συνεχίζει να δρα στα μόρια των ατμών, έτσι οι επιστήμονες υπολόγισαν ότι η ατμοσφαιρική πίεση δεν έχει καμία επίδραση στην εξάτμιση των υγρών.
Διαστολή υγρών
Η θερμική διαστολή των υγρών διερευνήθηκε παράλληλα με τη διαστολή των αερίων. Οι ίδιοι επιστήμονες ασχολούνταν με την επιστημονική έρευνα. Για να το κάνουν αυτό, χρησιμοποίησαν θερμόμετρα, αερόμετρα, δοχεία επικοινωνίας και άλλα όργανα.
Όλα τα πειράματα μαζί και το καθένα χωριστά αντέκρουσαν τη θεωρία του D alton ότι τα ομοιογενή υγρά διαστέλλονται αναλογικά με το τετράγωνο της θερμοκρασίας στην οποία θερμαίνονται. Φυσικά, όσο υψηλότερη ήταν η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερος ήταν ο όγκος του υγρού, αλλά δεν υπήρχε άμεση σχέση μεταξύ του. Ναι, και ο ρυθμός διαστολής όλων των υγρών ήταν διαφορετικός.
Η θερμική διαστολή του νερού, για παράδειγμα, ξεκινά από μηδέν βαθμούς Κελσίου και συνεχίζεται όσο πέφτει η θερμοκρασία. Προηγουμένως, τέτοια αποτελέσματα πειραμάτων συνδέονταν με το γεγονός ότι δεν διαστέλλεται το ίδιο το νερό, αλλά το δοχείο στο οποίο βρίσκεται στενεύει. Αλλά λίγο καιρό αργότερα, ο φυσικός Ντελούκα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η αιτία πρέπει να αναζητηθεί στο ίδιο το υγρό. Αποφάσισε να βρει τη θερμοκρασία της μεγαλύτερης πυκνότητάς του. Ωστόσο, δεν τα κατάφερε λόγω αμέλειαςκάποιες λεπτομέρειες. Ο Ράμφορθ, ο οποίος μελέτησε αυτό το φαινόμενο, διαπίστωσε ότι η μέγιστη πυκνότητα του νερού παρατηρείται στην περιοχή από 4 έως 5 βαθμούς Κελσίου.
Θερμική διαστολή σωμάτων
Στα στερεά, ο κύριος μηχανισμός διαστολής είναι μια αλλαγή στο πλάτος των κραδασμών του κρυσταλλικού πλέγματος. Με απλά λόγια, τα άτομα που αποτελούν το υλικό και είναι άκαμπτα συνδεδεμένα μεταξύ τους αρχίζουν να «τρέμουν».
Ο νόμος της θερμικής διαστολής των σωμάτων διατυπώνεται ως εξής: κάθε σώμα με γραμμικό μέγεθος L στη διαδικασία θέρμανσης κατά dT (δέλτα Τ είναι η διαφορά μεταξύ της αρχικής θερμοκρασίας και της τελικής θερμοκρασίας), διαστέλλεται κατά dL (το δέλτα L είναι η παράγωγος του συντελεστή γραμμικής θερμικής διαστολής κατά μήκος αντικειμένου και διαφορά θερμοκρασίας). Αυτή είναι η απλούστερη έκδοση αυτού του νόμου, η οποία από προεπιλογή λαμβάνει υπόψη ότι το σώμα διαστέλλεται προς όλες τις κατευθύνσεις ταυτόχρονα. Αλλά για πρακτική εργασία, χρησιμοποιούνται πολύ πιο δύσκαμπτοι υπολογισμοί, αφού στην πραγματικότητα τα υλικά συμπεριφέρονται διαφορετικά από αυτά που διαμορφώνουν οι φυσικοί και οι μαθηματικοί.
Θερμική διαστολή της σιδηροτροχιάς
Οι φυσικοί μηχανικοί εμπλέκονται πάντα στην τοποθέτηση της σιδηροδρομικής γραμμής, καθώς μπορούν να υπολογίσουν με ακρίβεια πόση απόσταση πρέπει να είναι μεταξύ των αρμών σιδηροτροχιάς, έτσι ώστε οι γραμμές να μην παραμορφώνονται όταν θερμαίνονται ή ψύχονται.
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η θερμική γραμμική διαστολή εφαρμόζεται σε όλα τα στερεά. Και ο σιδηρόδρομος δεν αποτελεί εξαίρεση. Υπάρχει όμως μια λεπτομέρεια. Γραμμική αλλαγήεμφανίζεται ελεύθερα εάν το σώμα δεν επηρεάζεται από τη δύναμη της τριβής. Οι ράγες είναι άκαμπτα προσαρτημένες στους στρωτήρες και συγκολλημένες σε παρακείμενες ράγες, έτσι ο νόμος που περιγράφει την αλλαγή του μήκους λαμβάνει υπόψη την υπέρβαση των εμποδίων με τη μορφή γραμμικών αντιστάσεων και αντιστάσεων.
Αν μια σιδηροτροχιά δεν μπορεί να αλλάξει το μήκος της, τότε με την αλλαγή της θερμοκρασίας, αυξάνεται η θερμική καταπόνηση σε αυτήν, η οποία μπορεί να την τεντώσει και να τη συμπιέσει. Αυτό το φαινόμενο περιγράφεται από τον νόμο του Χουκ.
