Hvis du observerer elektriske kabler nøje, vil du bemærke, at de er buede nedad på grund af slæk. Hvorfor løsnes elektriske kabler bevidst i stedet for blot at blive spændt? De fleste tage i Flores og Lembata, East Nusa Tenggara, er lavet af zink (Zn). Zinktage larmer både om dagen og om natten. Hvorfor larmer zink? Hvis du bor på øen Java, har du måske observeret jernbanespor. Der er huller ved skinnesamlingerne. Hvad er funktionen af disse huller ved skinnesamlingerne? Der er mange ting, du kan tænke over og spørge om i forbindelse med emnet udvidelse.
Længdeudvidelse
De fleste faste stoffer undergår lineær udvidelse, når deres temperatur ændrer sig. Dette refererer til en forøgelse eller reduktion i længden. Typisk øges en genstands længde, når temperaturen stiger, mens dens længde aftager, når temperaturen falder. Man skulle tro, at lineær udvidelse kun forekommer i genstande som tynde tråde. For eksempel, forestil dig en bil parkeret på siden af vejen udsat for sollys. Når bilen overopheder, kan metalpladen blive tykkere, eller længden af dens sider kan øges. Et zinktag kan også opleve lineær udvidelse. I dette tilfælde, når zinken overopheder, udvider zinkens kanter sig, og zinken kan også blive tykkere. Det samme sker med jernbanespor og jern- eller stålbroer.
De fleste faste stoffer udvider sig eller trækker sig sammen, når deres temperatur ændrer sig, så vi er nødt til at forstå, hvordan temperaturændringer påvirker udvidelsen af faste stoffer. Dette er meget nyttigt, når man designer udstyr, bygninger, køretøjer osv. For eksempel mellemrummene i jernbanespor. Jernbanespor er lavet af stål. Ingeniører har beregnet bredden af mellemrummene mellem hver skinne. På en varm dag vil skinnerne udvide sig med flere centimeter. Når et tog kører over dem, stiger temperaturen på skinnerne også, hvilket får skinnerne til at udvide sig med hvor mange centimeter. På en kold nat krymper skinnerne med hvor mange centimeter. Baseret på analysen estimerer ingeniører afstanden mellem skinnemellemrummene, så når skinnetemperaturen stiger, rører skinnerne ikke hinanden og bliver bøjede.
For at hjælpe os med at udlede formlen, der angiver forholdet mellem temperaturændring og mængden af lineær udvidelse, kan vi betragte et fast objekt, der undergår udvidelse, som vist på figuren til højre. Billedtekst: To = starttemperatur, T = sluttemperatur, Lo = startlængde, L = længde efter ekspansion, delta L = ændring i længde, delta T = ændring i temperatur.
Når objektets temperatur = T o (objektet er stadig koldt), er objektets længde = L o . Når objektets temperatur = T (objektets temperatur stiger), er objektets længde = L. Baseret på resultaterne af observationer og eksperimenter er ændringen i objektets længde proportional med temperaturændringen. Hvis temperaturen stiger, øges objektets længde. Omvendt, når temperaturen falder, mindskes objektets længde. Ændringen i objektets længde er også proportional med objektets oprindelige længde (L o ). Hvis størrelsen af temperaturændringen er den samme, vil et objekt, der for eksempel er 10 meter langt, fordobles i længde sammenlignet med et objekt, der kun er 5 meter langt. Så jo længere objektet er, desto større er objektets udvidelse.
Ændringen i et objekts længde (delta L) er proportional med temperaturændringen (delta T):
Ændringen i objektets længde (delta L) er proportional med objektets oprindelige længde (Lo):
Ændringen i længden af hvert objekt er forskellig. Selvom det er stort temperaturændringer Tilsvarende er den udvidelse, som jern oplever, ikke den samme som den, glas oplever. Det samme gælder for andre objekter. Derfor afhænger den lineære udvidelse af den lineære udvidelseskoefficient for hvert objekt. Den lineære udvidelseskoefficient for hvert objekt bestemmes gennem eksperimenter. Jo større den lineære udvidelseskoefficient er, desto større er længdestigningen. Jo mindre den lineære udvidelseskoefficient er, desto mindre er længdestigningen. Man kan sige, at ændringen i en objekts længde er proportional med den lineære udvidelseskoefficient.
De tre ovenstående sammenligninger er udtrykt i en ligning:
Den samlede længde af et objekt efter udvidelse eller sammentrækning kan fås ved at lægge objektets oprindelige længde sammen (Lo) og ændringer i objektlængde (delta L).
Når temperaturen ændrer sig (TT)o) er negativ, så er ændringen i længde (LL)o) er også negativ. I dette tilfælde aftager objektets længde. Omvendt, hvis temperaturen ændrer sig (TTo) er positiv, så er ændringen i længde (LLo) er også positiv. I dette tilfælde øges objektets længde.
Følgende er den lineære udvidelseskoefficient for faste stoffer ved en temperatur på 20 ° C. Væsker og gasser ændrer form, hvilket forhindrer dem i at opleve lineær udvidelse. Den lineære udvidelseskoefficient for faste stoffer afhænger også af temperaturen. Ved forskellige temperaturer varierer den lineære udvidelseskoefficient for faste stoffer også. Hvis temperaturforskellen ikke er for stor, vil forskellen i den lineære udvidelseskoefficient heller ikke være for stor, så den kan ignoreres.
Volumenudvidelse
Længdeudvidelse opleves kun af faste objekter, volumenudvidelse opleves af alle objekter, uanset om de er faste, flydende eller gasformige. Ligningen for volumenudvidelse svarer til ligningen for længdeudvidelse.
Ovenstående ligning for volumenudvidelse er kun gyldig, når ændringen i volumen af et objekt (uanset om det er fast, flydende eller gasformigt) er mindre end objektets oprindelige volumen. Hvis ændringen i volumen af et objekt er større end objektets oprindelige volumen, giver ligningen for volumenudvidelse ikke nøjagtige resultater. Normalt er den volumenændring, der opleves af faste objekter, ikke for stor. I modsætning hertil er volumenkoefficientværdien for væsker og gasser ret stor. Volumenkoefficienten for gasser ændrer sig også let med temperaturændringer. Derfor bruges ovenstående formel kun til udvidelse af faste objekter. Formlen til bestemmelse af ændringen i gasvolumen vil blive studeret i emnet kinetisk gasteori i 11. klasse.
