यदि आप बिजली के तारों को ध्यान से देखें, तो आप पाएंगे कि ढीलेपन के कारण वे नीचे की ओर मुड़े हुए होते हैं। बिजली के तारों को जानबूझकर ढीला क्यों किया जाता है, न कि केवल तनाव देकर? पूर्वी नुसा तेंगारा के फ्लोरेस और लेम्बाटा में अधिकांश छतें जस्ता (जिंक) की बनी होती हैं। दिन हो या रात, जस्ता की छतें शोर करती हैं। जस्ता शोर क्यों करता है? यदि आप जावा द्वीप पर रहते हैं, तो आपने रेल की पटरियाँ देखी होंगी। रेल के जोड़ों पर अंतराल होते हैं। इन अंतरालों का क्या कार्य है? विस्तार के विषय से संबंधित कई बातें हैं जिन पर आप विचार कर सकते हैं और प्रश्न पूछ सकते हैं ।
लंबाई विस्तार
तापमान में परिवर्तन होने पर अधिकांश ठोस पदार्थों में रेखीय प्रसार होता है। इसका अर्थ है लंबाई में वृद्धि या कमी। सामान्यतः, तापमान बढ़ने पर किसी वस्तु की लंबाई बढ़ती है, जबकि तापमान घटने पर उसकी लंबाई घटती है। आपको लग सकता है कि रेखीय प्रसार केवल पतले तारों जैसी वस्तुओं में ही होता है। उदाहरण के लिए, सड़क के किनारे धूप में खड़ी एक कार पर विचार करें। कार के अधिक गर्म होने पर धातु की प्लेट मोटी हो सकती है या उसके किनारों की लंबाई बढ़ सकती है। जस्ता की छत में भी रेखीय प्रसार हो सकता है। इस स्थिति में, जस्ता के अधिक गर्म होने पर उसके किनारे फैल जाते हैं और जस्ता मोटा हो सकता है। रेल की पटरियों और लोहे या इस्पात के पुलों के साथ भी यही होता है।
तापमान परिवर्तन होने पर अधिकांश ठोस पदार्थ फैलते या सिकुड़ते हैं, इसलिए हमें यह समझना आवश्यक है कि तापमान परिवर्तन ठोस पदार्थों के फैलाव को कैसे प्रभावित करता है। उपकरण, भवन, वाहन आदि के डिज़ाइन में यह बहुत उपयोगी होता है। उदाहरण के लिए, रेल की पटरियों के बीच के अंतराल। रेल की पटरियाँ स्टील की बनी होती हैं। इंजीनियरों ने प्रत्येक पटरी के बीच के अंतराल की चौड़ाई की गणना की है। गर्म दिन में, पटरियाँ कई सेंटीमीटर तक फैल जाती हैं। जब कोई ट्रेन उन पर से गुजरती है, तो पटरियों का तापमान भी बढ़ जाता है, जिससे वे कितने सेंटीमीटर तक फैलती हैं? ठंडी रात में, पटरियाँ कितने सेंटीमीटर तक सिकुड़ जाती हैं? इस विश्लेषण के आधार पर, इंजीनियर पटरियों के बीच के अंतराल की दूरी का अनुमान इस प्रकार लगाते हैं कि तापमान बढ़ने पर पटरियाँ एक-दूसरे को न छुएं और मुड़ न जाएं।
तापमान परिवर्तन और रेखीय प्रसार की मात्रा के बीच संबंध बताने वाले सूत्र को निकालने में हमारी सहायता के लिए, दाईं ओर दिए गए चित्र में दिखाए गए अनुसार, प्रसार से गुजर रही एक ठोस वस्तु पर विचार करें। कैप्शन: To = प्रारंभिक तापमान, T = अंतिम तापमान, Lo = प्रारंभिक लंबाई, L = विस्तार के बाद की लंबाई, डेल्टा L = लंबाई में परिवर्तन, डेल्टा T = तापमान में परिवर्तन।
जब वस्तु का तापमान = To ( वस्तु अभी भी ठंडी है), तो वस्तु की लंबाई = Lo होती है । जब वस्तु का तापमान = T (वस्तु का तापमान बढ़ता है), तो वस्तु की लंबाई = L होती है। प्रेक्षणों और प्रयोगों के परिणामों के आधार पर, वस्तु की लंबाई में परिवर्तन तापमान में परिवर्तन के समानुपाती होता है। तापमान बढ़ने पर वस्तु की लंबाई भी बढ़ती है। इसके विपरीत, तापमान घटने पर वस्तु की लंबाई घटती है। वस्तु की लंबाई में परिवर्तन वस्तु की प्रारंभिक लंबाई (Lo) के भी समानुपाती होता है। यदि तापमान परिवर्तन की मात्रा समान हो, तो उदाहरण के लिए, 10 मीटर लंबी वस्तु की लंबाई 5 मीटर लंबी वस्तु की तुलना में दोगुनी बढ़ जाएगी। अतः वस्तु जितनी लंबी होगी, उसका विस्तार उतना ही अधिक होगा।
किसी वस्तु की लंबाई में परिवर्तन (डेल्टा एल) तापमान में परिवर्तन (डेल्टा टी) के समानुपाती होता है:
वस्तु की लंबाई में परिवर्तन (डेल्टा एल) वस्तु की प्रारंभिक लंबाई (एल) के समानुपाती होता है।o):
प्रत्येक वस्तु की लंबाई में परिवर्तन अलग-अलग होता है। भले ही वह बड़ी हो। तापमान परिवर्तन इसी प्रकार, लोहे का विस्तार कांच के विस्तार से भिन्न होता है। यही बात अन्य वस्तुओं पर भी लागू होती है। इसलिए, रैखिक विस्तार प्रत्येक वस्तु के रैखिक विस्तार गुणांक पर निर्भर करता है। प्रत्येक वस्तु का रैखिक विस्तार गुणांक प्रयोगों द्वारा प्राप्त किया जाता है। रैखिक विस्तार गुणांक जितना अधिक होगा, लंबाई में वृद्धि उतनी ही अधिक होगी। रैखिक विस्तार गुणांक जितना कम होगा, लंबाई में वृद्धि उतनी ही कम होगी। इस प्रकार कहा जा सकता है कि किसी वस्तु की लंबाई में परिवर्तन रैखिक विस्तार गुणांक के समानुपाती होता है।
ऊपर दिए गए तीनों तुलनाओं को एक समीकरण में व्यक्त किया गया है:
किसी वस्तु के विस्तार या संकुचन के बाद उसकी कुल लंबाई, वस्तु की प्रारंभिक लंबाई (L) को जोड़कर प्राप्त की जा सकती है।o) और वस्तु की लंबाई में परिवर्तन (डेल्टा एल)।
जब तापमान बदलता है (टीटी)oयदि ) ऋणात्मक है, तो लंबाई में परिवर्तन (LL)o) भी ऋणात्मक है। इस स्थिति में, वस्तु की लंबाई कम हो जाती है। इसके विपरीत, यदि तापमान परिवर्तन (TT)oयदि ) धनात्मक है, तो लंबाई में परिवर्तन (LL)o) भी धनात्मक है। इस स्थिति में वस्तु की लंबाई बढ़ जाती है।
20 ° C तापमान पर ठोस पदार्थों का रेखीय प्रसार गुणांक निम्न है। द्रव और गैसें अपना आकार बदल लेते हैं, जिससे उनमें रेखीय प्रसार नहीं होता। ठोस पदार्थों का रेखीय प्रसार गुणांक तापमान पर भी निर्भर करता है। विभिन्न तापमानों पर ठोस पदार्थों के रेखीय प्रसार गुणांक में भी भिन्नता पाई जाती है। यदि तापमान का अंतर बहुत अधिक न हो, तो रेखीय प्रसार गुणांक में अंतर भी बहुत अधिक नहीं होगा, इसलिए इसे अनदेखा किया जा सकता है।
आयतन विस्तार
लंबाई में विस्तार केवल ठोस वस्तुओं में होता है, जबकि आयतन में विस्तार सभी वस्तुओं में होता है, चाहे वे ठोस हों, द्रव हों या गैस हों। आयतन विस्तार का समीकरण लंबाई विस्तार के समीकरण के समान ही होता है।
ऊपर दिया गया आयतन प्रसार समीकरण केवल तभी मान्य है जब किसी वस्तु (ठोस, द्रव या गैस) के आयतन में परिवर्तन उसके प्रारंभिक आयतन से कम हो। यदि किसी वस्तु के आयतन में परिवर्तन उसके प्रारंभिक आयतन से अधिक हो, तो आयतन प्रसार समीकरण सटीक परिणाम नहीं देता है। आमतौर पर ठोस वस्तुओं के आयतन में परिवर्तन बहुत अधिक नहीं होता है। इसके विपरीत, द्रवों और गैसों का आयतन गुणांक काफी अधिक होता है। गैसों का आयतन गुणांक तापमान में परिवर्तन के साथ आसानी से बदल जाता है। इसलिए, उपरोक्त सूत्र का उपयोग केवल ठोस वस्तुओं के प्रसार के लिए किया जाता है। गैसों के आयतन में परिवर्तन ज्ञात करने का सूत्र कक्षा 11 में गैसों के गतिज सिद्धांत के विषय में पढ़ाया जाएगा।
