Ha alaposan megfigyeli az elektromos kábeleket, észre fogja venni, hogy azok lefelé görbülnek a lazaság miatt. Miért lazítják meg szándékosan az elektromos kábeleket, ahelyett, hogy egyszerűen csak megfeszítenék őket? Flores és Lembata, Kelet-Nusa Tenggara városainak legtöbb teteje cinkből (Zn) készült. Nappal vagy éjszaka a cinktetők zajt keltenek. Miért zajlik a cink? Ha Jáva szigetén él, valószínűleg látott már vasúti síneket. Rések vannak a sínillesztéseknél. Mi a funkciója ezeknek a réseknek a sínillesztéseknél? Sok mindenre gondolhat és kérdezhet a tágulás témájával kapcsolatban.
Hossztágulás
A legtöbb szilárd anyag lineáris tágulást mutat, amikor a hőmérséklete változik. Ez a hossz növekedésére vagy csökkenésére utal. Egy tárgy hossza jellemzően növekszik a hőmérséklet emelkedésével, míg a hossza csökken a hőmérséklet csökkenésével. Azt gondolhatnánk, hogy lineáris tágulás csak olyan tárgyakban fordul elő, mint a vékony vezetékek. Vegyünk például egy autót, amely az út szélén parkoló, és napfény éri. Amikor az autó túlmelegszik, a fémlemez vastagabbá válhat, vagy az oldalai hossza megnőhet. Egy cinktető is lineáris tágulást tapasztalhat. Ebben az esetben, amikor a cink túlmelegszik, a cink szélei kitágulnak, és a cink is vastagabbá válhat. Ugyanez történik a vasúti sínekkel és a vas- vagy acélhidakkal.
A legtöbb szilárd anyag kitágul vagy összehúzódik, amikor a hőmérséklete változik, ezért meg kell értenünk, hogy a hőmérsékletváltozás hogyan befolyásolja a szilárd anyagok tágulását. Ez nagyon hasznos berendezések, épületek, járművek stb. tervezésénél. Például a vasúti sínek rései. A vasúti sínek acélból készülnek. A mérnökök kiszámították az egyes sínek közötti rések szélességét. Egy forró napon a sínek több centiméterrel kitágulnak. Amikor egy vonat áthalad rajtuk, a sínek hőmérséklete is megemelkedik, aminek következtében a sínek hány centiméterrel tágulnak. Egy hideg éjszakán a sínek hány centiméterrel zsugorodnak össze. Az elemzés alapján a mérnökök megbecsülik a sínrések közötti távolságot, hogy amikor a sín hőmérséklete emelkedik, a sínek ne érjenek egymáshoz és ne görbüljenek meg.
A hőmérsékletváltozás és a lineáris tágulás mértéke közötti összefüggést leíró képlet levezetéséhez vegyünk egy táguláson átesett szilárd testet, ahogy a jobb oldali ábrán látható. Felirat: To = kezdeti hőmérséklet, T = végső hőmérséklet, Lo = kezdeti hossz, L = tágulás utáni hossz, delta L = hosszváltozás, delta T = hőmérsékletváltozás.
Amikor a tárgy hőmérséklete = T o (a tárgy még hideg), a tárgy hossza = L o . Amikor a tárgy hőmérséklete = T (a tárgy hőmérséklete növekszik), a tárgy hossza = L. A megfigyelések és kísérletek eredményei alapján a tárgy hosszának változása arányos a hőmérsékletváltozással. Ha a hőmérséklet növekszik, a tárgy hossza növekszik. Fordítva, amikor a hőmérséklet csökken, a tárgy hossza csökken. A tárgy hosszának változása szintén arányos a tárgy kezdeti hosszával (L o ). Ha a hőmérsékletváltozás nagysága azonos, akkor egy 10 méter hosszú tárgy hossza például a kétszeresére nő egy mindössze 5 méter hosszú tárgyhoz képest. Tehát minél hosszabb a tárgy, annál nagyobb a tágulása.
Egy tárgy hosszának változása (delta L) arányos a hőmérsékletváltozással (delta T):
A tárgy hosszának változása (delta L) arányos a tárgy kezdeti hosszával (Lo):
Az egyes tárgyak hosszának változása eltérő. Annak ellenére, hogy nagyok. hőmérséklet-változások Hasonlóképpen, a vas által tapasztalt tágulás nem egyezik meg az üveg által tapasztaltakkal. Ugyanez igaz más tárgyakra is. Ezért a lineáris tágulás az egyes tárgyak lineáris tágulási együtthatójától függ. Az egyes tárgyak lineáris tágulási együtthatóját kísérletezéssel kapjuk meg. Minél nagyobb a lineáris tágulási együttható, annál nagyobb a hossznövekedés. Minél kisebb a lineáris tágulási együttható, annál kisebb a hossznövekedés. Elmondható, hogy egy tárgy hosszának változása arányos a lineáris tágulási együtthatóval.
A fenti három összehasonlítást egy egyenlet fejezi ki:
Egy tárgy teljes hosszát a tágulás vagy összehúzódás után a tárgy kezdeti hosszának (Lo) és az objektum hosszának változásai (delta L).
Amikor a hőmérséklet változik (TT)o) negatív, akkor a hosszváltozás (LL)o) szintén negatív. Ebben az esetben a tárgy hossza csökken. Fordítva, ha a hőmérséklet változik (TTo) pozitív, akkor a hosszváltozás (LLo) szintén pozitív. Ebben az esetben a tárgy hossza növekszik.
A következő ábra a szilárd anyagok lineáris tágulási együtthatóját mutatja 20 ° C hőmérsékleten. A folyadékok és gázok alakjukat változtatják, ami megakadályozza, hogy lineáris tágulást tapasztaljanak. A szilárd anyagok lineáris tágulási együtthatója a hőmérséklettől is függ. Különböző hőmérsékleteken a szilárd anyagok lineáris tágulási együtthatója is változik. Ha a hőmérsékletkülönbség nem túl nagy, akkor a lineáris tágulási együttható különbsége sem lesz túl nagy, így elhanyagolható.
Térfogatbővítés
A hossztágulást csak szilárd testek tapasztalják, a térfogat-tágulást minden test tapasztalja, legyen az szilárd, folyékony vagy gáz. A térfogat-tágulás egyenlete hasonló a hossztágulás egyenletéhez.
A fenti térfogat-tágulási egyenlet csak akkor érvényes, ha egy tárgy (legyen az szilárd, folyékony vagy gáz) térfogatváltozása kisebb, mint a tárgy kezdeti térfogata. Ha egy tárgy térfogatváltozása nagyobb, mint a tárgy kezdeti térfogata, a térfogat-tágulási egyenlet nem ad pontos eredményeket. A szilárd tárgyak által tapasztalt térfogatváltozás általában nem túl nagy. Ezzel szemben a folyadékok és gázok térfogat-együtthatójának értéke meglehetősen nagy. A gázok térfogat-együtthatója is könnyen változik a hőmérséklet változásával. Ezért a fenti képletet csak szilárd tárgyak tágulására használjuk. A gáztérfogat-változás meghatározására szolgáló képletet a 11. osztályos gázok kinetikus elmélete témakörben fogjuk tanulmányozni.
