Ako pažljivo promatrate električne kabele, primijetit ćete da su zakrivljeni prema dolje zbog labavosti. Zašto su električni kabeli namjerno labavi, a ne jednostavno zategnuti? Većina krovova u Floresu i Lembati, Istočna Nusa Tenggara, izrađena je od cinka (Zn). Tijekom dana ili noći, cinkovi krovovi stvaraju buku. Zašto cink stvara buku? Ako živite na otoku Javi, možda ste primijetili željezničke tračnice. Postoje praznine na spojevima tračnica. Koja je funkcija tih praznina na spojevima tračnica? Mnogo je stvari o kojima možete razmišljati i pitati u vezi s temom širenja.
Proširenje duljine
Većina čvrstih tijela podliježe linearnom širenju kada im se temperatura promijeni. To se odnosi na povećanje ili smanjenje duljine. Tipično, duljina objekta se povećava s porastom temperature, dok se njegova duljina smanjuje s padom temperature. Možda mislite da se linearno širenje događa samo kod objekata poput tankih žica. Na primjer, razmotrite automobil parkiran uz cestu izložen sunčevoj svjetlosti. Kada se automobil pregrije, metalna ploča može postati deblja ili se duljina njegovih stranica može povećati. Cinkov krov također može doživjeti linearno širenje. U ovom slučaju, kada se cink pregrije, rubovi cinka se šire i cink također može postati deblji. Isto se događa sa željezničkim tračnicama i željeznim ili čeličnim mostovima.
Većina čvrstih tijela se širi ili skuplja kada im se temperatura promijeni, stoga moramo razumjeti kako promjene temperature utječu na širenje čvrstih tijela. To je vrlo korisno pri projektiranju opreme, zgrada, vozila itd. Na primjer, praznine u željezničkim tračnicama. Željezničke tračnice izrađene su od čelika. Inženjeri su izračunali širinu praznina između svake tračnice. Za vrućeg dana tračnice će se proširiti za nekoliko centimetara. Kada vlak prolazi preko njih, temperatura tračnica također se povećava, uzrokujući širenje tračnica za koliko centimetara. Za hladne noći tračnice se skupljaju za koliko centimetara. Na temelju analize, inženjeri procjenjuju udaljenost između praznina između tračnica tako da kada se temperatura tračnica poveća, tračnice se ne dodiruju i ne savijaju.
Kako bismo lakše izveli formulu koja opisuje odnos između promjene temperature i količine linearnog širenja, razmotrimo čvrsto tijelo koje se širi, kao što je prikazano na slici desno. Natpis: To = početna temperatura, T = konačna temperatura, Lo = početna duljina, L = duljina nakon širenja, delta L = promjena duljine, delta T = promjena temperature.
Kada je temperatura objekta = T o (objekt je još uvijek hladan), duljina objekta = L o . Kada je temperatura objekta = T (temperatura objekta se povećava), duljina objekta = L. Na temelju rezultata opažanja i eksperimenata, promjena duljine objekta proporcionalna je promjeni temperature. Ako se temperatura povećava, duljina objekta se povećava. Obrnuto, kada se temperatura smanjuje, duljina objekta se smanjuje. Promjena duljine objekta također je proporcionalna početnoj duljini objekta (L o ). Ako je veličina promjene temperature ista, objekt dug, na primjer, 10 metara, povećat će se u duljini za 2 puta u usporedbi s objektom dugim samo 5 metara. Dakle, što je objekt dulji, to je veće širenje objekta.
Promjena duljine objekta (delta L) proporcionalna je promjeni temperature (delta T):
Promjena duljine objekta (delta L) proporcionalna je početnoj duljini objekta (Lo)
Promjena duljine svakog objekta je različita. Iako je velik promjene temperature Slično tome, širenje koje doživljava željezo nije isto kao ono koje doživljava staklo. Isto vrijedi i za druge objekte. Stoga linearno širenje ovisi o koeficijentu linearnog širenja svakog objekta. Koeficijent linearnog širenja za svaki objekt dobiva se eksperimentiranjem. Što je veći koeficijent linearnog širenja, to je veće povećanje duljine. Što je manji koeficijent linearnog širenja, to je manje povećanje duljine. Može se reći da je promjena duljine objekta proporcionalna koeficijentu linearnog širenja.
Tri gornje usporedbe izražene su jednadžbom:
Ukupna duljina objekta nakon širenja ili skupljanja može se dobiti zbrajanjem početne duljine objekta (Lo) i promjene u duljini objekta (delta L).
Kada se temperatura promijeni (TT)o) je negativna, tada je promjena duljine (LL)o) je također negativan. U ovom slučaju, duljina objekta se smanjuje. Suprotno tome, ako se temperatura promijeni (TTo) je pozitivna, tada je promjena duljine (LLo) je također pozitivan. U ovom slučaju objekt se povećava u duljini.
Slijedeći je koeficijent linearnog širenja krutih tvari na temperaturi od 20 ° C. Tekućine i plinovi mijenjaju oblik, što im sprječava linearno širenje. Koeficijent linearnog širenja krutih tvari također ovisi o temperaturi. Na različitim temperaturama, koeficijent linearnog širenja krutih tvari također varira. Ako temperaturna razlika nije prevelika, razlika u koeficijentu linearnog širenja također neće biti prevelika, pa se može zanemariti.
Širenje volumena
Širenje duljine doživljavaju samo čvrsta tijela, širenje volumena doživljavaju sva tijela, bilo da su čvrsta, tekuća ili plinovita. Jednadžba za širenje volumena slična je jednadžbi za širenje duljine.
Gornja jednadžba ekspanzije volumena vrijedi samo kada je promjena volumena objekta (bilo da se radi o krutom, tekućem ili plinovitom) manja od početnog volumena objekta. Ako je promjena volumena objekta veća od početnog volumena objekta, jednadžba ekspanzije volumena ne daje točne rezultate. Obično promjena volumena koju doživljavaju čvrsti objekti nije prevelika. Nasuprot tome, vrijednost koeficijenta volumena tekućina i plinova je prilično velika. Koeficijent volumena za plinove također se lako mijenja s promjenama temperature. Stoga se gornja formula koristi samo za ekspanziju čvrstih objekata. Formula za određivanje promjene volumena plina proučavat će se u temi kinetičke teorije plinova u 11. razredu.
