بیشتر اجسام جامد هنگام تغییر دما، انبساط خطی را تجربه میکنند. انبساط خطی به معنای افزایش طول جسم یا کاهش طول آن است. معمولاً با افزایش دما، طول جسم افزایش مییابد، در حالی که با کاهش دما، طول جسم کاهش مییابد. ممکن است فکر کنید که انبساط خطی فقط میتواند در اجسامی مانند سیمهای نازک رخ دهد. به عنوان مثال، به ماشینی که در کنار جاده پارک شده است، نگاه کنید، بنابراین در معرض آفتاب قرار دارد. وقتی ماشین بیش از حد گرم میشود، صفحه آهنی میتواند ضخیمتر شود یا طول ضلع آن افزایش یابد. سقف خانههای ساخته شده از روی نیز میتواند انبساط را تجربه کند. در این حالت، وقتی روی بیش از حد گرم میشود، لبههای روی افزایش عرض پیدا میکنند و روی حتی میتواند ضخیمتر شود. همین اتفاق برای ریلهای راهآهن و آهن یا فولاد روی پل نیز رخ داد.
بیشتر اجسام جامد وقتی دمای جسم تغییر میکند، منبسط یا منقبض میشوند، بنابراین باید بدانیم که تغییرات دما چگونه بر انبساط اجسام جامد تأثیر میگذارد. به عنوان مثال، شکافی در ریلهای راهآهن. ریلهای راهآهن از فولاد ساخته شدهاند. مهندسان عرض شکاف بین هر ریل را محاسبه کرده بودند. در یک روز گرم، ریل چند سانتیمتر منبسط میشود. وقتی قطار از روی آن عبور میکند، دمای ریل نیز افزایش مییابد، به طوری که ریل چند سانتیمتر امتداد مییابد. در شبهای سرد، ریلها چند سانتیمتر منقبض میشوند.
بر اساس نتایج تحلیل، مهندسان فاصله بین شکافهای ریل را تخمین میزنند، به طوری که وقتی دمای ریل افزایش مییابد، ریلها به یکدیگر برخورد نمیکنند و خم نمیشوند.
برای کمک به ما در استخراج فرمولی که رابطه بین تغییرات دما و بزرگی انبساط طول را بیان میکند، یک جسم جامد را که در حال انبساط است، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، بررسی کنید.
To = دمای اولیه، T = دمای نهایی، Lo = طول اولیه، ΔL = تغییر طول، L = طول پس از انبساط، ΔT = تغییر دما.
وقتی دمای جسم = T o (جسم هنوز سرد است)، طول جسم = L o است. وقتی دمای جسم = T (دمای جسم افزایش مییابد)، طول جسم = L است.
بر اساس نتایج مشاهدات و آزمایشها، تغییرات طول جسم متناسب با تغییرات دما است. اگر دما افزایش یابد، طول جسم افزایش مییابد. برعکس، وقتی دما کاهش مییابد، طول جسم کاهش مییابد. تغییر طول یک جسم نیز متناسب با طول جسم اولیه است (Lo). اگر تغییرات دما یکسان باشد، مثلاً اجسامی که 10 متر طول دارند، در مقایسه با اجسامی که فقط 5 متر طول دارند، طولشان دو برابر میشود. بنابراین، هر چه جسم بلندتر باشد، انبساط جسم بیشتر است.
تغییرات طول جسم (L) متناسب با تغییرات دما (ΔT) است: ΔL α ΔT
تغییرات طول یک جسم (ΔL) متناسب با طول جسم اولیه (L o ) است: ΔL α Lo o
تغییرات طول هر جسم متفاوت است. اگرچه تغییرات دما یکسان است، اما انبساطی که آهن تجربه میکند با شیشه یکسان نیست. در مورد سایر اجسام نیز به همین ترتیب است. بنابراین، انبساط خطی به ضریب انبساط خطی هر جسم بستگی دارد. هرچه ضریب انبساط خطی بیشتر باشد، افزایش طول بیشتر است. هرچه ضریب انبساط خطی کمتر باشد، افزایش طول کمتر است. میتوان گفت که تغییر طول یک جسم متناسب با ضریب انبساط خطی است.
∆ ل ∝ α
سه مقایسه فوق در یک معادله بیان میشوند:
شرح: ΔL = تغییر طول، α = ضریب انبساط خطی (واحد α = K -1 یا (C o ) -1 ، L o = طول اولیه، ΔT (T 1 – To o ) ΔT = تغییرات دما (دمای نهایی – دمای اولیه)
طول کل یک جسم پس از انبساط یا انقباض را میتوان با جمع طول اولیه جسم (L o ) و تغییر طول جسم (ΔL) بدست آورد.
شرح: ΔL = طول جسم پس از انبساط یا انقباض، Lo = طول اولیه جسم، ΔL = L – Lo = تغییر طول، α = ضریب انبساط خطی (واحد α = K)-1 یا (سیo)-1، ΔT = T – To = تغییر دما، To = دمای اولیه، T = دمای نهایی.
اگر تغییر دما (TT o ) منفی باشد، تغییر طول (LL o ) نیز منفی است.
در این حالت، طول جسم کاهش مییابد. برعکس، اگر تغییر دما (TT o ) مثبت باشد، تغییر طول (LL o ) نیز مثبت است. در این حالت، طول اجسام افزایش مییابد.
در ادامه مقدار ضریب انبساط خطی اجسام جامد، در دمای 20 درجه سانتیگراد، آمده است. شکل مواد مایع و گاز تغییر میکند به طوری که این دو نوع ماده نمیتوانند انبساط خطی را تجربه کنند. ضریب انبساط خطی یک جسم جامد نیز به دما بستگی دارد. در دماهای مختلف، ضریب انبساط خطی اجسام جامد نیز متفاوت است. اگر اختلاف دما خیلی قابل توجه نباشد، اختلاف در ضریب انبساط خطی آنقدر قابل توجه نیست که بتوان از آن صرف نظر کرد.
