Pokud si pozorně prohlédnete elektrické kabely, všimnete si, že jsou kvůli vůli zakřivené dolů. Proč jsou elektrické kabely záměrně uvolněné, a ne jen napnuté? Většina střech ve Flores a Lembatě ve Východních Nusa Tenggara je vyrobena ze zinku (Zn). Ve dne i v noci vydávají zinkové střechy hluk. Proč zinek vydává hluk? Pokud žijete na ostrově Jáva, možná jste si všimli železničních kolejí. V místech spojů kolejnic jsou mezery. Jakou funkci tyto mezery v místech spojů kolejnic slouží? V souvislosti s tématem roztahování kolejí se můžete zamyslet a zeptat na mnoho věcí.
Rozšíření délky
Většina pevných látek podléhá lineární roztažnosti při změně teploty. To se týká zvětšení nebo zmenšení délky. Délka objektu se obvykle zvětšuje s rostoucí teplotou, zatímco s klesající teplotou se jeho délka zmenšuje. Možná si myslíte, že k lineární roztažnosti dochází pouze u objektů, jako jsou tenké dráty. Vezměte si například auto zaparkované na kraji silnice vystavené slunečnímu záření. Když se auto přehřeje, kovový plech se může ztluštit nebo se může zvětšit délka jeho stran. Zinková střecha může také zažívat lineární roztažnost. V tomto případě, když se zinek přehřeje, okraje zinku se roztahují a zinek se může také ztluštit. Totéž se děje u železničních kolejí a železných nebo ocelových mostů.
Většina pevných látek se roztahuje nebo smršťuje při změně teploty, takže musíme pochopit, jak změny teploty ovlivňují roztahování pevných látek. To je velmi užitečné při navrhování zařízení, budov, vozidel atd. Například mezery v železničních kolejích. Železniční koleje jsou vyrobeny z oceli. Inženýři vypočítali šířku mezer mezi jednotlivými kolejnicemi. Za horkého dne se kolejnice roztáhnou o několik centimetrů. Když po nich projede vlak, zvýší se také teplota kolejnic, což způsobí jejich roztažení o kolik centimetrů. Za chladné noci se kolejnice smršťují o kolik centimetrů. Na základě analýzy inženýři odhadnou vzdálenost mezi mezerami kolejnic tak, aby se při zvýšení teploty kolejnice kolejnice navzájem nedotýkaly a neohýbaly se.
Abychom si lépe odvodili vzorec, který vyjadřuje vztah mezi změnou teploty a mírou lineární roztažnosti, uvažujme pevný objekt, který se rozpíná, jak je znázorněno na obrázku vpravo. Popisek: To = počáteční teplota, T = konečná teplota, Lo = počáteční délka, L = délka po roztažení, delta L = změna délky, delta T = změna teploty.
Pokud je teplota objektu = T o (objekt je stále studený), délka objektu = L o . Pokud je teplota objektu = T (teplota objektu se zvyšuje), délka objektu = L. Na základě výsledků pozorování a experimentů je změna délky objektu úměrná změně teploty. Pokud se teplota zvyšuje, délka objektu se zvětšuje. Naopak, když teplota klesá, délka objektu se zmenšuje. Změna délky objektu je také úměrná počáteční délce objektu (L o ). Pokud je velikost změny teploty stejná, objekt dlouhý například 10 metrů se zvětší na délku 2x ve srovnání s objektem dlouhým pouze 5 metrů. Čím delší je tedy objekt, tím větší je jeho roztažnost.
Změna délky objektu (delta L) je úměrná změně teploty (delta T):
Změna délky objektu (delta L) je úměrná počáteční délce objektu (Lo):
Změna délky každého objektu je jiná. I když je velký změny teploty Podobně roztažnost železa není stejná jako roztažnost skla. Totéž platí pro ostatní objekty. Lineární roztažnost proto závisí na koeficientu lineární roztažnosti každého objektu. Koeficient lineární roztažnosti se pro každý objekt získá experimentálně. Čím větší je koeficient lineární roztažnosti, tím větší je zvětšení délky. Čím menší je koeficient lineární roztažnosti, tím menší je zvětšení délky. Dá se říci, že změna délky objektu je úměrná koeficientu lineární roztažnosti.
Tři výše uvedená srovnání jsou vyjádřena rovnicí:
Celkovou délku objektu po roztažení nebo smrštění lze získat sečtením počáteční délky objektu (Lo) a změny délky objektu (delta L).
Při změně teploty (TT)o) je záporná, pak změna délky (LL)o) je také záporná. V tomto případě se délka objektu zmenšuje. Naopak, pokud se změní teplota (TTo) je kladná, pak změna délky (LLo) je také kladné. V tomto případě se délka objektu zvětšuje.
Následuje koeficient lineární roztažnosti pevných látek při teplotě 20 ° C. Kapaliny a plyny mění tvar, což jim brání v lineární roztažnosti. Koeficient lineární roztažnosti pevných látek závisí také na teplotě. Při různých teplotách se koeficient lineární roztažnosti pevných látek také mění. Pokud teplotní rozdíl není příliš velký, nebude ani rozdíl v koeficientu lineární roztažnosti příliš velký, takže jej lze zanedbat.
Rozšíření objemu
Roztahování délky se projevuje pouze u pevných těles, zatímco roztahování objemu se projevuje u všech těles, ať už pevných, kapalných nebo plynných. Rovnice pro roztahování objemu je podobná rovnici pro roztahování délky.
Výše uvedená rovnice objemové roztažnosti platí pouze tehdy, když je změna objemu objektu (ať už pevného, kapalného nebo plynného) menší než počáteční objem objektu. Pokud je změna objemu objektu větší než počáteční objem objektu, rovnice objemové roztažnosti neposkytuje přesné výsledky. Změna objemu pevných objektů obvykle není příliš velká. Naproti tomu hodnota objemového koeficientu kapalin a plynů je poměrně velká. Objemový koeficient plynů se také snadno mění se změnami teploty. Proto se výše uvedený vzorec používá pouze pro roztažnost pevných objektů. Vzorec pro určení změny objemu plynu bude studován v tématu kinetické teorie plynů v 11. ročníku.
