אם תבחנו מקרוב בכבלים חשמליים, תשימו לב שהם מעוקלים כלפי מטה עקב רפיון. מדוע כבלי חשמל משוחררים במכוון, ולא פשוט נמתחים? רוב הגגות בפלורס ולמבטה, מזרח נוסה טנגרה, עשויים אבץ (Zn). במהלך היום או בלילה, גגות אבץ משמיעים רעש. מדוע אבץ משמיע רעש? אם אתם גרים באי ג'אווה, ייתכן שראיתם פסי רכבת. ישנם פערים בחיבורי המסילה. מה תפקידם של פערים אלה בחיבורי המסילה? ישנם דברים רבים שתוכלו לחשוב עליהם ולשאול בנוגע לנושא ההתפשטות.
הרחבת אורך
רוב המוצקים עוברים התפשטות ליניארית כאשר הטמפרטורה שלהם משתנה. משמעות הדבר היא עלייה או ירידה באורך. בדרך כלל, אורך הגוף גדל ככל שהטמפרטורה שלו עולה, בעוד שאורכו יורד ככל שהטמפרטורה שלו יורדת. ייתכן שתחשבו שהתפשטות ליניארית מתרחשת רק בעצמים כמו חוטים דקים. לדוגמה, קחו למשל מכונית שחונה בצד הדרך וחשופה לאור שמש. כאשר המכונית מתחממת יתר על המידה, לוח המתכת יכול להתעבה או שאורך צדדיה יכול לגדול. גם גג אבץ יכול לחוות התפשטות ליניארית. במקרה זה, כאשר האבץ מתחמם יתר על המידה, קצוות האבץ מתרחבים והאבץ יכול גם להתעבה. אותו הדבר קורה למסילות רכבת ולגשרי ברזל או פלדה.
רוב המוצקים מתרחבים או מתכווצים כאשר הטמפרטורה שלהם משתנה, לכן עלינו להבין כיצד שינויי טמפרטורה משפיעים על התפשטותם של מוצקים. זה מועיל מאוד בעת תכנון ציוד, מבנים, כלי רכב וכו'. לדוגמה, הרווחים במסילות רכבת. פסי רכבת עשויים מפלדה. מהנדסים חישבו את רוחב הרווחים בין כל פס. ביום חם, הפסים יתרחבו בכמה סנטימטרים. כאשר רכבת עוברת מעליהם, גם טמפרטורת הפסים עולה, מה שגורם למסילות להתרחב בכמה סנטימטרים. בלילה קר, הפסים מתכווצים בכמה סנטימטרים. בהתבסס על הניתוח, מהנדסים מעריכים את המרחק בין הרווחים בין הפסים כך שכאשר טמפרטורת הפסים עולה, הפסים לא ייגעו זו בזו ויתעקמו.
כדי לעזור לנו לגזור את הנוסחה המציינת את הקשר בין שינוי הטמפרטורה לכמות ההתפשטות הליניארית, נבחן גוף מוצק שעובר התפשטות, כפי שמוצג באיור מימין. כיתוב: To = טמפרטורה התחלתית, T = טמפרטורה סופית, Lo = אורך התחלתי, L = אורך לאחר התפשטות, דלתא L = שינוי באורך, דלתא T = שינוי בטמפרטורה.
כאשר טמפרטורת העצם = T o (העצם עדיין קר), אורך העצם = L o . כאשר טמפרטורת העצם = T (טמפרטורת העצם עולה), אורך העצם = L. בהתבסס על תוצאות התצפיות והניסויים, השינוי באורך העצם פרופורציונלי לשינוי בטמפרטורה. אם הטמפרטורה עולה, אורך העצם גדל. לעומת זאת, כאשר הטמפרטורה יורדת, אורך העצם מקטין. השינוי באורך העצם פרופורציונלי גם לאורך ההתחלתי של העצם (L o ). אם גודל שינוי הטמפרטורה זהה, עצם שאורכו 10 מטרים, למשל, יגדל באורכו פי 2 בהשוואה לעצם שאורכו 5 מטרים בלבד. לכן, ככל שהעצם ארוך יותר, כך התפשטותו גדולה יותר.
השינוי באורך של עצם (דלתא L) הוא פרופורציונלי לשינוי בטמפרטורה (דלתא T):
השינוי באורך העצם (דלתא L) הוא פרופורציונלי לאורך ההתחלתי של העצם (Lo):
השינוי באורך של כל אובייקט שונה. למרות שהוא גדול שינויי טמפרטורה באופן דומה, ההתפשטות שחווה ברזל אינה זהה לזו שחווה זכוכית. הדבר נכון גם לגבי עצמים אחרים. לכן, ההתפשטות הליניארית תלויה במקדם ההתפשטות הליניארית של כל עצם. מקדם ההתפשטות הליניארית עבור כל עצם מתקבל באמצעות ניסויים. ככל שמקדם ההתפשטות הליניארית גדול יותר, כך גדלה העלייה באורך. ככל שמקדם ההתפשטות הליניארית קטן יותר, כך גדלה העלייה באורך. ניתן לומר שהשינוי באורך של עצם הוא פרופורציונלי למקדם ההתפשטות הליניארית.
שלוש ההשוואות לעיל מבוטאות במשוואה:
ניתן לקבל את האורך הכולל של גוף לאחר התרחבות או התכווצות על ידי חיבור האורך ההתחלתי של הגוף (Lo) ושינויים באורך האובייקט (דלתא L).
כאשר הטמפרטורה משתנה (TT)o) שלילי, אז השינוי באורך (LL)o) גם הוא שלילי. במקרה זה, אורך האובייקט מקטין. לעומת זאת, אם הטמפרטורה משתנה (TTo) חיובי, אז השינוי באורך (LLo) גם חיובי. במקרה זה האובייקט גדל באורכו.
להלן מקדם ההתפשטות הליניארית של מוצקים בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס. נוזלים וגזים משנים צורה, מה שמונע מהם לחוות התפשטות ליניארית. מקדם ההתפשטות הליניארית של מוצקים תלוי גם בטמפרטורה. בטמפרטורות שונות, מקדם ההתפשטות הליניארית של מוצקים משתנה גם הוא. אם הפרש הטמפרטורות אינו גדול מדי, גם ההבדל במקדם ההתפשטות הליניארית לא יהיה גדול מדי, ולכן ניתן להתעלם ממנו.
הרחבת נפח
התפשטות אורך חווה רק עצמים מוצקים, התפשטות נפח חווה כל עצמים, בין אם מוצקים, נוזלים או גזים. המשוואה להתפשטות נפח דומה למשוואה להתפשטות אורך.
משוואת התפשטות הנפח לעיל תקפה רק כאשר השינוי בנפח של גוף (בין אם מוצק, נוזלי או גז) קטן מהנפח ההתחלתי של הגוף. אם השינוי בנפח של גוף גדול מהנפח ההתחלתי של הגוף, משוואת התפשטות הנפח אינה מספקת תוצאות מדויקות. בדרך כלל, שינוי הנפח שחווים גופים מוצקים אינו גדול מדי. לעומת זאת, ערך מקדם הנפח של נוזלים וגזים גדול למדי. מקדם הנפח של גזים משתנה בקלות גם עם שינויים בטמפרטורה. לכן, הנוסחה לעיל משמשת רק להתפשטות של גופים מוצקים. הנוסחה לקביעת השינוי בנפח הגז תילמד בנושא תורת הגזים הקינטית בכיתה י"א.
