Si observeu de prop els cables elèctrics, notareu que estan corbats cap avall a causa de la folgança. Per què els cables elèctrics s'afluixen deliberadament, en lloc de simplement tensar-los? La majoria de les teulades de Flores i Lembata, a Nusa Tenggara Oriental, són de zinc (Zn). Durant el dia o la nit, les teulades de zinc fan soroll. Per què fa soroll el zinc? Si viviu a l'illa de Java, és possible que hàgiu observat vies de ferrocarril. Hi ha buits a les unions del ferrocarril. Quina és la funció d'aquests buits a les unions del ferrocarril? Hi ha moltes coses que podeu pensar i preguntar relacionades amb el tema de l'expansió.
Expansió de longitud
La majoria dels sòlids experimenten una expansió lineal quan canvia la seva temperatura. Això es refereix a un augment o disminució de la longitud. Normalment, la longitud d'un objecte augmenta a mesura que augmenta la seva temperatura, mentre que la seva longitud disminueix a mesura que disminueix la seva temperatura. Es podria pensar que l'expansió lineal només es produeix en objectes com els cables prims. Per exemple, considereu un cotxe aparcat al costat de la carretera exposat a la llum solar. Quan el cotxe s'escalfa massa, la placa metàl·lica pot esdevenir més gruixuda o la longitud dels seus costats pot augmentar. Una teulada de zinc també pot experimentar una expansió lineal. En aquest cas, quan el zinc s'escalfa massa, les vores del zinc s'expandeixen i el zinc també es pot esdevenir més gruixut. El mateix passa amb les vies del ferrocarril i els ponts de ferro o acer.
La majoria dels sòlids s'expandeixen o es contrauen quan canvia la seva temperatura, per la qual cosa hem d'entendre com els canvis de temperatura afecten l'expansió dels sòlids. Això és molt útil a l'hora de dissenyar equips, edificis, vehicles, etc. Per exemple, els espais entre les vies del ferrocarril. Les vies del ferrocarril estan fetes d'acer. Els enginyers han calculat l'amplada dels espais entre cada carril. En un dia calorós, els carrils s'expandeixen diversos centímetres. Quan un tren hi passa per sobre, la temperatura dels carrils també augmenta, cosa que fa que els carrils s'expandeixin quants centímetres. En una nit freda, els carrils s'encongeixen quants centímetres. Basant-se en l'anàlisi, els enginyers estimen la distància entre els espais entre els carrils de manera que quan la temperatura del carril augmenta, els carrils no es toquin entre si i es dobleguin.
Per ajudar-nos a derivar la fórmula que estableix la relació entre el canvi de temperatura i la quantitat d'expansió lineal, considerem un objecte sòlid que experimenta una expansió, com es mostra a la figura de la dreta. Llegenda: To = temperatura inicial, T = temperatura final, Lo = longitud inicial, L = longitud després de l'expansió, delta L = canvi de longitud, delta T = canvi de temperatura.
Quan la temperatura de l'objecte = T o (l'objecte encara està fred), la longitud de l'objecte = L o . Quan la temperatura de l'objecte = T (la temperatura de l'objecte augmenta), la longitud de l'objecte = L. Segons els resultats de les observacions i els experiments, el canvi en la longitud de l'objecte és proporcional al canvi de temperatura. Si la temperatura augmenta, la longitud de l'objecte augmenta. Per contra, quan la temperatura disminueix, la longitud de l'objecte disminueix. El canvi en la longitud de l'objecte també és proporcional a la longitud inicial de l'objecte (L o ). Si la magnitud del canvi de temperatura és la mateixa, un objecte de 10 metres de llarg, per exemple, augmentarà de longitud 2 vegades en comparació amb un objecte de només 5 metres de llarg. Per tant, com més llarg sigui l'objecte, més gran serà l'expansió de l'objecte.
El canvi de longitud d'un objecte (delta L) és proporcional al canvi de temperatura (delta T):
El canvi de longitud de l'objecte (delta L) és proporcional a la longitud inicial de l'objecte (Lo):
El canvi de longitud de cada objecte és diferent. Tot i que és gran canvis de temperatura De la mateixa manera, l'expansió que experimenta el ferro no és la mateixa que la que experimenta el vidre. El mateix passa amb altres objectes. Per tant, l'expansió lineal depèn del coeficient d'expansió lineal de cada objecte. El coeficient d'expansió lineal per a cada objecte s'obté mitjançant experimentació. Com més gran sigui el coeficient d'expansió lineal, més gran serà l'augment de longitud. Com més petit sigui el coeficient d'expansió lineal, més petit serà l'augment de longitud. Es pot dir que el canvi en la longitud d'un objecte és proporcional al coeficient d'expansió lineal.
Les tres comparacions anteriors s'expressen en una equació:
La longitud total d'un objecte després de patir una expansió o contracció es pot obtenir sumant la longitud inicial de l'objecte (Lo) i canvis en la longitud de l'objecte (delta L).
Quan canvia la temperatura (TT)o) és negatiu, aleshores el canvi de longitud (LL)o) també és negatiu. En aquest cas, la longitud de l'objecte disminueix. Per contra, si la temperatura canvia (TTo) és positiu, aleshores el canvi de longitud (LLo) també és positiu. En aquest cas, l'objecte augmenta de longitud.
El següent és el coeficient d'expansió lineal dels sòlids a una temperatura de 20 ° C. Els líquids i els gasos canvien de forma, cosa que els impedeix experimentar una expansió lineal. El coeficient d'expansió lineal dels sòlids també depèn de la temperatura. A diferents temperatures, el coeficient d'expansió lineal dels sòlids també varia. Si la diferència de temperatura no és massa gran, la diferència en el coeficient d'expansió lineal tampoc serà massa gran, per la qual cosa es pot ignorar.
Expansió de volum
L'expansió de la longitud només l'experimenten els objectes sòlids, l'expansió del volum l'experimenten tots els objectes, ja siguin sòlids, líquids o gasosos. L'equació per a l'expansió del volum és similar a l'equació per a l'expansió de la longitud.
L'equació d'expansió del volum anterior només és vàlida quan el canvi de volum d'un objecte (ja sigui sòlid, líquid o gasós) és menor que el volum inicial de l'objecte. Si el canvi de volum d'un objecte és major que el volum inicial de l'objecte, l'equació d'expansió del volum no proporciona resultats precisos. Normalment, el canvi de volum experimentat pels objectes sòlids no és massa gran. En canvi, el valor del coeficient de volum dels líquids i els gasos és força gran. El coeficient de volum dels gasos també canvia fàcilment amb els canvis de temperatura. Per tant, la fórmula anterior només s'utilitza per a l'expansió d'objectes sòlids. La fórmula per determinar el canvi de volum del gas s'estudiarà en el tema de la teoria cinètica dels gasos a 11è grau.
