Jos tarkkailet sähkökaapeleita tarkasti, huomaat, että ne ovat kaarevia alaspäin löysyyden vuoksi. Miksi sähkökaapeleita löysätään tarkoituksella sen sijaan, että niitä vain kiristetään? Useimmat katot Floresin ja Lembatan alueilla Itä-Nusa Tenggarassa on valmistettu sinkistä (Zn). Päivällä tai yöllä sinkkikatot pitävät ääntä. Miksi sinkki pitää ääntä? Jos asut Jaavan saarella, olet saattanut havaita rautateitä. Raiteiden liitoksissa on rakoja. Mikä on näiden rakojen tehtävä raideiden liitoksissa? Laajenemiseen liittyen on monia asioita, joita voit miettiä ja kysyä.
Pituuden laajeneminen
Useimmat kiinteät aineet laajenevat lineaarisesti lämpötilan muuttuessa. Tämä viittaa pituuden kasvuun tai lyhenemiseen. Tyypillisesti kappaleen pituus kasvaa lämpötilan noustessa, kun taas sen pituus pienenee lämpötilan laskiessa. Saatat ajatella, että lineaarista laajenemista tapahtuu vain kappaleissa, kuten ohuissa langoissa. Ajatellaan esimerkiksi autoa, joka on pysäköity tien laitaan ja altistuu auringonvalolle. Kun auto ylikuumenee, metallilevy voi paksuuntua tai sen sivujen pituus voi kasvaa. Myös sinkkikatto voi laajentua lineaarisesti. Tässä tapauksessa, kun sinkki ylikuumenee, sinkin reunat laajenevat ja sinkki voi myös paksuuntua. Sama tapahtuu rautateille ja rauta- tai terässilloille.
Useimmat kiinteät aineet laajenevat tai supistuvat lämpötilan muuttuessa, joten meidän on ymmärrettävä, miten lämpötilan muutokset vaikuttavat kiinteiden aineiden laajenemiseen. Tämä on erittäin hyödyllistä laitteita, rakennuksia, ajoneuvoja jne. suunniteltaessa. Esimerkiksi rautatien raot. Rautatiekiskot on valmistettu teräksestä. Insinöörit ovat laskeneet kiskojen välisten rakojen leveyden. Kuumana päivänä kiskot laajenevat useita senttimetrejä. Kun juna kulkee niiden yli, kiskojen lämpötila nousee myös, jolloin kiskot laajenevat kuinka monta senttimetriä. Kylmänä yönä kiskot kutistuvat kuinka monta senttimetriä? Analyysin perusteella insinöörit arvioivat kiskojen rakojen välisen etäisyyden siten, että kiskojen lämpötilan noustessa kiskot eivät kosketa toisiaan eivätkä taivu.
Lämpötilan muutoksen ja lineaarisen laajenemisen välisen suhteen ilmaisevan kaavan johtamiseksi tarkastellaan kiinteää kappaletta, joka laajenee, kuten oikealla olevassa kuvassa on esitetty. Kuvateksti: To = alkulämpötila, T = loppulämpötila, Lo = alkuperäinen pituus, L = pituus laajenemisen jälkeen, delta L = pituuden muutos, delta T = lämpötilan muutos.
Kun kappaleen lämpötila = T o (kappale on vielä kylmä), kappaleen pituus = L o . Kun kappaleen lämpötila = T (kappaleen lämpötila nousee), kappaleen pituus = L. Havaintojen ja kokeiden tulosten perusteella kappaleen pituuden muutos on verrannollinen lämpötilan muutokseen. Jos lämpötila nousee, kappaleen pituus kasvaa. Kääntäen, kun lämpötila laskee, kappaleen pituus pienenee. Kappaleen pituuden muutos on myös verrannollinen kappaleen alkuperäiseen pituuteen (L o ). Jos lämpötilan muutoksen suuruus on sama, esimerkiksi 10 metriä pitkä kappale kasvaa pituudeltaan kaksinkertaiseksi verrattuna vain 5 metriä pitkään kappaleeseen. Joten mitä pidempi kappale on, sitä suurempi on sen laajeneminen.
Kappaleen pituuden muutos (delta L) on verrannollinen lämpötilan muutokseen (delta T):
Kappaleen pituuden muutos (delta L) on verrannollinen kappaleen alkuperäiseen pituuteen (Lo):
Kunkin objektin pituuden muutos on erilainen. Vaikka se on suuri lämpötilan muutokset Samoin raudan kokema laajeneminen ei ole samaa kuin lasin. Sama pätee muihinkin kappaleisiin. Siksi lineaarinen laajeneminen riippuu kunkin kappaleen lineaarisesta laajenemiskertoimesta. Kunkin kappaleen lineaarinen laajenemiskerroin saadaan kokeilemalla. Mitä suurempi lineaarinen laajenemiskerroin on, sitä suurempi on pituuden kasvu. Mitä pienempi lineaarinen laajenemiskerroin on, sitä pienempi on pituuden kasvu. Voidaan sanoa, että kappaleen pituuden muutos on verrannollinen lineaariseen laajenemiskertoimeen.
Yllä olevat kolme vertailua ilmaistaan yhtälöllä:
Kappaleen kokonaispituus laajenemisen tai supistumisen jälkeen voidaan saada laskemalla yhteen kappaleen alkuperäinen pituus (Lo) ja kohteen pituuden muutokset (delta L).
Kun lämpötila muuttuu (TT)o) on negatiivinen, niin pituuden muutos (LL)o) on myös negatiivinen. Tässä tapauksessa kappaleen pituus pienenee. Käänteisesti, jos lämpötila muuttuu (TTo) on positiivinen, niin pituuden muutos (LLo) on myös positiivinen. Tässä tapauksessa kappaleen pituus kasvaa.
Seuraavassa on esitetty kiinteiden aineiden lineaarinen laajenemiskerroin 20 ° C :n lämpötilassa. Nesteet ja kaasut muuttavat muotoaan, mikä estää niitä laajenemasta lineaarisesti. Kiinteiden aineiden lineaarinen laajenemiskerroin riippuu myös lämpötilasta. Eri lämpötiloissa kiinteiden aineiden lineaarinen laajenemiskerroin vaihtelee myös. Jos lämpötilaero ei ole liian suuri, lineaarisen laajenemiskertoimen ero ei myöskään ole liian suuri, joten se voidaan jättää huomiotta.
Tilavuuden laajeneminen
Pituuslaajenemista esiintyy vain kiinteissä kappaleissa, tilavuuslaajenemista taas kaikissa kappaleissa, olivatpa ne kiinteitä, nestemäisiä tai kaasumaisia. Tilavuuslaajenemisen yhtälö on samanlainen kuin pituuslaajenemisen yhtälö.
Yllä oleva tilavuuslaajenemisyhtälö pätee vain, kun kappaleen (olipa kyseessä kiinteä, nestemäinen tai kaasumainen) tilavuuden muutos on pienempi kuin kappaleen alkuperäinen tilavuus. Jos kappaleen tilavuuden muutos on suurempi kuin kappaleen alkuperäinen tilavuus, tilavuuslaajenemisyhtälö ei anna tarkkoja tuloksia. Yleensä kiinteiden kappaleiden kokema tilavuuden muutos ei ole liian suuri. Sitä vastoin nesteiden ja kaasujen tilavuuskerroin on melko suuri. Kaasujen tilavuuskerroin muuttuu myös helposti lämpötilan muutosten mukana. Siksi yllä olevaa kaavaa käytetään vain kiinteiden kappaleiden laajenemiseen. Kaavaa kaasun tilavuuden muutoksen määrittämiseksi tutkitaan 11. luokan kaasujen kineettisen teorian aiheessa.
