اگر کابلهای برق را از نزدیک مشاهده کنید، متوجه خواهید شد که به دلیل شل بودن، به سمت پایین خمیده شدهاند. چرا کابلهای برق عمداً شل میشوند، نه اینکه صرفاً کشیده شوند؟ بیشتر سقفها در فلورس و لمباتا، شرق نوسا تنگارا، از روی (Zn) ساخته شدهاند. در طول روز یا شب، سقفهای روی صدا میدهند. چرا روی صدا میدهد؟ اگر در جزیره جاوه زندگی میکنید، ممکن است ریلهای راهآهن را مشاهده کرده باشید. در محل اتصال ریلها شکافهایی وجود دارد. عملکرد این شکافها در محل اتصال ریلها چیست؟ چیزهای زیادی وجود دارد که میتوانید در مورد موضوع انبساط در مورد آنها فکر کنید و بپرسید.
گسترش طول
بیشتر جامدات وقتی دمایشان تغییر میکند، دچار انبساط خطی میشوند. این به افزایش یا کاهش طول اشاره دارد. معمولاً طول یک جسم با افزایش دما افزایش مییابد، در حالی که با کاهش دما، طول آن کاهش مییابد. ممکن است فکر کنید که انبساط خطی فقط در اجسامی مانند سیمهای نازک رخ میدهد. به عنوان مثال، یک ماشین پارک شده در کنار جاده در معرض نور خورشید را در نظر بگیرید. وقتی ماشین بیش از حد گرم میشود، صفحه فلزی میتواند ضخیمتر شود یا طول کنارههای آن میتواند افزایش یابد. یک سقف روی نیز میتواند انبساط خطی را تجربه کند. در این حالت، وقتی روی بیش از حد گرم میشود، لبههای روی منبسط میشوند و روی نیز میتواند ضخیمتر شود. همین اتفاق برای ریلهای راهآهن و پلهای آهنی یا فولادی نیز میافتد.
بیشتر جامدات وقتی دمایشان تغییر میکند، منبسط یا منقبض میشوند، بنابراین باید بدانیم که تغییرات دما چگونه بر انبساط جامدات تأثیر میگذارد. این امر هنگام طراحی تجهیزات، ساختمانها، وسایل نقلیه و غیره بسیار مفید است. به عنوان مثال، شکافهای موجود در ریلهای راهآهن. ریلهای راهآهن از فولاد ساخته شدهاند. مهندسان عرض شکافهای بین هر ریل را محاسبه کردهاند. در یک روز گرم، ریلها چند سانتیمتر منبسط میشوند. وقتی قطاری از روی آنها عبور میکند، دمای ریلها نیز افزایش مییابد و باعث میشود ریلها چند سانتیمتر منبسط شوند. در یک شب سرد، ریلها چند سانتیمتر منقبض میشوند. بر اساس تجزیه و تحلیل، مهندسان فاصله بین شکافهای ریل را تخمین میزنند تا وقتی دمای ریل افزایش مییابد، ریلها به یکدیگر برخورد نکنند و خم نشوند.
برای کمک به ما در استخراج فرمولی که رابطه بین تغییر دما و میزان انبساط خطی را بیان میکند، یک جسم جامد را در نظر بگیرید که همانطور که در شکل سمت راست نشان داده شده است، در حال انبساط است. عنوان: To = دمای اولیه، T = دمای نهایی، Lo = طول اولیه، L = طول پس از انبساط، دلتا L = تغییر طول، دلتا T = تغییر دما.
وقتی دمای جسم = To (جسم هنوز سرد است)، طول جسم = Loوقتی دمای جسم = T (دمای جسم افزایش مییابد)، طول جسم = L میشود. بر اساس نتایج مشاهدات و آزمایشها، تغییر طول جسم متناسب با تغییر دما است. اگر دما افزایش یابد، طول جسم افزایش مییابد. برعکس، وقتی دما کاهش مییابد، طول جسم کاهش مییابد. تغییر طول جسم نیز متناسب با طول اولیه جسم (L) است.oاگر بزرگی تغییر دما یکسان باشد، برای مثال، جسمی که 10 متر طول دارد، دو برابر جسمی که تنها 5 متر طول دارد، افزایش طول خواهد داشت. بنابراین هر چه جسم طویلتر باشد، انبساط جسم بیشتر است.
تغییر طول یک جسم (دلتا L) متناسب با تغییر دما (دلتا T) است:
تغییر طول جسم (دلتا L) متناسب با طول اولیه جسم (L) است.o):
تغییر طول هر جسم متفاوت است. حتی اگر بزرگ باشد تغییرات دما به طور مشابه، انبساطی که آهن تجربه میکند با انبساطی که شیشه تجربه میکند یکسان نیست. این موضوع در مورد سایر اجسام نیز صادق است. بنابراین، انبساط خطی به ضریب انبساط خطی هر جسم بستگی دارد. ضریب انبساط خطی برای هر جسم از طریق آزمایش به دست میآید. هرچه ضریب انبساط خطی بزرگتر باشد، افزایش طول بیشتر است. هرچه ضریب انبساط خطی کوچکتر باشد، افزایش طول کمتر است. میتوان گفت که تغییر در طول یک جسم متناسب با ضریب انبساط خطی است.
سه مقایسه فوق در یک معادله بیان میشوند:
طول کل یک جسم پس از انبساط یا انقباض را میتوان با جمع کردن طول اولیه جسم (L) بدست آورد.o) و تغییرات در طول جسم (دلتا L).
وقتی دما تغییر میکند (TT)o) منفی باشد، آنگاه تغییر در طول (LL)o) نیز منفی است. در این حالت، طول جسم کاهش مییابد. برعکس، اگر دما تغییر کند (TTo) مثبت باشد، آنگاه تغییر در طول (LL)o) نیز مثبت است. در این حالت طول جسم افزایش مییابد.
مقدار ضریب انبساط خطی اجسام جامد در دمای 20 درجه سانتیگراد به شرح زیر است: oج. مایعات و گازها تغییر شکل میدهند و این امر مانع از انبساط خطی آنها میشود. ضریب انبساط خطی جامدات نیز به دما بستگی دارد. در دماهای مختلف، ضریب انبساط خطی جامدات نیز متفاوت است. اگر اختلاف دما خیلی زیاد نباشد، اختلاف در ضریب انبساط خطی نیز خیلی زیاد نخواهد بود، بنابراین میتوان از آن صرف نظر کرد.
انبساط حجم
انبساط طول فقط توسط اجسام جامد تجربه میشود، انبساط حجم توسط همه اجسام، چه جامد، چه مایع و چه گاز، تجربه میشود. معادله انبساط حجم مشابه معادله انبساط طول است.
معادله انبساط حجم بالا فقط زمانی معتبر است که تغییر حجم یک جسم (چه جامد، چه مایع و چه گاز) کمتر از حجم اولیه جسم باشد. اگر تغییر حجم یک جسم بیشتر از حجم اولیه جسم باشد، معادله انبساط حجم نتایج دقیقی ارائه نمیدهد. معمولاً تغییر حجمی که اجسام جامد تجربه میکنند خیلی زیاد نیست. در مقابل، مقدار ضریب حجم مایعات و گازها بسیار زیاد است. ضریب حجم گازها نیز به راحتی با تغییرات دما تغییر میکند. بنابراین، فرمول بالا فقط برای انبساط اجسام جامد استفاده میشود. فرمول تعیین تغییر حجم گاز در مبحث نظریه جنبشی گازها در پایه یازدهم مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.
