Αν παρατηρήσετε προσεκτικά τα ηλεκτρικά καλώδια, θα παρατηρήσετε ότι είναι καμπυλωμένα προς τα κάτω λόγω χαλαρότητας. Γιατί τα ηλεκτρικά καλώδια χαλαρώνουν σκόπιμα, αντί απλώς να τεντώνονται; Οι περισσότερες στέγες στο Φλόρες και τη Λεμπάτα, στην Ανατολική Νούσα Τενγκάρα, είναι κατασκευασμένες από ψευδάργυρο (Zn). Κατά τη διάρκεια της ημέρας ή της νύχτας, οι στέγες από ψευδάργυρο κάνουν θόρυβο. Γιατί κάνει θόρυβο ο ψευδάργυρος; Αν ζείτε στο νησί της Ιάβας, μπορεί να έχετε παρατηρήσει σιδηροδρομικές γραμμές. Υπάρχουν κενά στις ενώσεις των σιδηροτροχιών. Ποια είναι η λειτουργία αυτών των κενών στις ενώσεις των σιδηροτροχιών; Υπάρχουν πολλά πράγματα που μπορείτε να σκεφτείτε και να ρωτήσετε σχετικά με το θέμα της επέκτασης.
Επέκταση μήκους
Τα περισσότερα στερεά υφίστανται γραμμική διαστολή όταν αλλάζει η θερμοκρασία τους. Αυτό αναφέρεται σε αύξηση ή μείωση του μήκους. Συνήθως, το μήκος ενός αντικειμένου αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του, ενώ το μήκος του μειώνεται καθώς μειώνεται η θερμοκρασία του. Μπορεί να πιστεύετε ότι η γραμμική διαστολή συμβαίνει μόνο σε αντικείμενα όπως λεπτά σύρματα. Για παράδειγμα, σκεφτείτε ένα αυτοκίνητο παρκαρισμένο στην άκρη του δρόμου που εκτίθεται στο ηλιακό φως. Όταν το αυτοκίνητο υπερθερμανθεί, η μεταλλική πλάκα μπορεί να γίνει παχύτερη ή το μήκος των πλευρών της μπορεί να αυξηθεί. Μια οροφή από ψευδάργυρο μπορεί επίσης να υποστεί γραμμική διαστολή. Σε αυτήν την περίπτωση, όταν ο ψευδάργυρος υπερθερμανθεί, οι άκρες του ψευδαργύρου διαστέλλονται και ο ψευδάργυρος μπορεί επίσης να γίνει παχύτερος. Το ίδιο συμβαίνει και με τις σιδηροδρομικές γραμμές και τις σιδερένιες ή χαλύβδινες γέφυρες.
Τα περισσότερα στερεά διαστέλλονται ή συστέλλονται όταν αλλάζει η θερμοκρασία τους, επομένως πρέπει να κατανοήσουμε πώς οι αλλαγές θερμοκρασίας επηρεάζουν τη διαστολή των στερεών. Αυτό είναι πολύ χρήσιμο κατά το σχεδιασμό εξοπλισμού, κτιρίων, οχημάτων κ.λπ. Για παράδειγμα, τα κενά στις σιδηροδρομικές γραμμές. Οι σιδηροδρομικές γραμμές είναι κατασκευασμένες από χάλυβα. Οι μηχανικοί έχουν υπολογίσει το πλάτος των κενών μεταξύ κάθε σιδηροτροχιάς. Σε μια ζεστή μέρα, οι σιδηροτροχιές θα διασταλούν κατά αρκετά εκατοστά. Όταν ένα τρένο περνάει από πάνω τους, η θερμοκρασία των σιδηροτροχιών αυξάνεται επίσης, προκαλώντας τη διαστολή των σιδηροτροχιών κατά πόσα εκατοστά. Σε μια κρύα νύχτα, οι σιδηροτροχιές συρρικνώνονται κατά πόσα εκατοστά. Με βάση την ανάλυση, οι μηχανικοί εκτιμούν την απόσταση μεταξύ των κενών των σιδηροτροχιών, έτσι ώστε όταν αυξάνεται η θερμοκρασία των σιδηροτροχιών, οι σιδηροτροχιές να μην αγγίζουν η μία την άλλη και να λυγίζουν.
Για να μας βοηθήσετε να εξαγάγουμε τον τύπο που δηλώνει τη σχέση μεταξύ της μεταβολής της θερμοκρασίας και του μεγέθους της γραμμικής διαστολής, θεωρήστε ένα στερεό αντικείμενο που υφίσταται διαστολή, όπως φαίνεται στο σχήμα στα δεξιά. Λεζάντα: To = αρχική θερμοκρασία, T = τελική θερμοκρασία, Lo = αρχικό μήκος, L = μήκος μετά την εκτόνωση, δέλτα L = μεταβολή μήκους, δέλτα T = μεταβολή θερμοκρασίας.
Όταν η θερμοκρασία του αντικειμένου = T ° (το αντικείμενο είναι ακόμα κρύο), το μήκος του αντικειμένου = L ° . Όταν η θερμοκρασία του αντικειμένου = T° (η θερμοκρασία του αντικειμένου αυξάνεται), το μήκος του αντικειμένου = L. Με βάση τα αποτελέσματα των παρατηρήσεων και των πειραμάτων, η μεταβολή στο μήκος του αντικειμένου είναι ανάλογη με την μεταβολή της θερμοκρασίας. Εάν η θερμοκρασία αυξηθεί, το μήκος του αντικειμένου αυξάνεται. Αντίστροφα, όταν η θερμοκρασία μειωθεί, το μήκος του αντικειμένου μειώνεται. Η μεταβολή στο μήκος του αντικειμένου είναι επίσης ανάλογη με το αρχικό μήκος του αντικειμένου (L ° ). Εάν το μέγεθος της μεταβολής της θερμοκρασίας είναι το ίδιο, ένα αντικείμενο μήκους 10 μέτρων, για παράδειγμα, θα αυξηθεί σε μήκος κατά 2 φορές σε σύγκριση με ένα αντικείμενο μήκους μόνο 5 μέτρων. Έτσι, όσο μεγαλύτερο είναι το αντικείμενο, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαστολή του.
Η μεταβολή στο μήκος ενός αντικειμένου (δέλτα L) είναι ανάλογη με την μεταβολή της θερμοκρασίας (δέλτα T):
Η μεταβολή στο μήκος του αντικειμένου (δέλτα L) είναι ανάλογη με το αρχικό μήκος του αντικειμένου (Lo):
Η αλλαγή στο μήκος κάθε αντικειμένου είναι διαφορετική. Παρόλο που είναι μεγάλο αλλαγές θερμοκρασίας Ομοίως, η διαστολή που βιώνει ο σίδηρος δεν είναι η ίδια με αυτή που βιώνει το γυαλί. Το ίδιο ισχύει και για άλλα αντικείμενα. Επομένως, η γραμμική διαστολή εξαρτάται από τον συντελεστή γραμμικής διαστολής κάθε αντικειμένου. Ο συντελεστής γραμμικής διαστολής για κάθε αντικείμενο λαμβάνεται μέσω πειραματισμού. Όσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής γραμμικής διαστολής, τόσο μεγαλύτερη είναι η αύξηση του μήκους. Όσο μικρότερος είναι ο συντελεστής γραμμικής διαστολής, τόσο μικρότερη είναι η αύξηση του μήκους. Μπορεί να ειπωθεί ότι η αλλαγή στο μήκος ενός αντικειμένου είναι ανάλογη με τον συντελεστή γραμμικής διαστολής.
Οι τρεις παραπάνω συγκρίσεις εκφράζονται σε μια εξίσωση:
Το συνολικό μήκος ενός αντικειμένου μετά από διαστολή ή συστολή μπορεί να υπολογιστεί προσθέτοντας το αρχικό μήκος του αντικειμένου (Lo) και αλλαγές στο μήκος του αντικειμένου (δέλτα L).
Όταν αλλάζει η θερμοκρασία (TT)o) είναι αρνητικό, τότε η μεταβολή στο μήκος (LL)o) είναι επίσης αρνητικό. Σε αυτήν την περίπτωση, το μήκος του αντικειμένου μειώνεται. Αντίθετα, εάν η θερμοκρασία αλλάξει (TTo) είναι θετική, τότε η μεταβολή στο μήκος (LLo) είναι επίσης θετική. Σε αυτήν την περίπτωση, το αντικείμενο αυξάνεται σε μήκος.
Ακολουθεί ο συντελεστής γραμμικής διαστολής των στερεών σε θερμοκρασία 20 ° C. Τα υγρά και τα αέρια αλλάζουν σχήμα, εμποδίζοντάς τα να υποστούν γραμμική διαστολή. Ο συντελεστής γραμμικής διαστολής των στερεών εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία. Σε διαφορετικές θερμοκρασίες, ο συντελεστής γραμμικής διαστολής των στερεών ποικίλλει επίσης. Εάν η διαφορά θερμοκρασίας δεν είναι πολύ μεγάλη, η διαφορά στον συντελεστή γραμμικής διαστολής επίσης δεν θα είναι πολύ μεγάλη, επομένως μπορεί να αγνοηθεί.
Επέκταση όγκου
Η διαστολή κατά μήκος παρατηρείται μόνο σε στερεά σώματα, ενώ η διαστολή όγκου παρατηρείται σε όλα τα σώματα, είτε πρόκειται για στερεά, υγρά είτε για αέρια. Η εξίσωση για τη διαστολή όγκου είναι παρόμοια με την εξίσωση για τη διαστολή κατά μήκος.
Η παραπάνω εξίσωση διαστολής όγκου ισχύει μόνο όταν η μεταβολή στον όγκο ενός αντικειμένου (είτε στερεού, είτε υγρού είτε αερίου) είναι μικρότερη από τον αρχικό όγκο του αντικειμένου. Εάν η μεταβολή στον όγκο ενός αντικειμένου είναι μεγαλύτερη από τον αρχικό όγκο του αντικειμένου, η εξίσωση διαστολής όγκου δεν παρέχει ακριβή αποτελέσματα. Συνήθως η μεταβολή όγκου που βιώνουν τα στερεά αντικείμενα δεν είναι πολύ μεγάλη. Αντίθετα, η τιμή του συντελεστή όγκου των υγρών και των αερίων είναι αρκετά μεγάλη. Ο συντελεστής όγκου για τα αέρια αλλάζει επίσης εύκολα με τις μεταβολές της θερμοκρασίας. Επομένως, ο παραπάνω τύπος χρησιμοποιείται μόνο για τη διαστολή στερεών αντικειμένων. Ο τύπος για τον προσδιορισμό της μεταβολής στον όγκο του αερίου θα μελετηθεί στο θέμα της κινητικής θεωρίας των αερίων στην τάξη 11.
