Егер сіз электр кабельдерін мұқият бақыласаңыз, олардың босаңсу салдарынан төмен қарай иілгенін байқайсыз. Неліктен электр кабельдері жай ғана керілудің орнына әдейі босатылады? Шығыс Нуса-Тенгарадағы Флорес пен Лембатадағы шатырлардың көпшілігі мырыштан (Zn) жасалған. Күндіз немесе түнде мырыш шатырлары шу шығарады. Неліктен мырыш шу шығарады? Егер сіз Ява аралында тұрсаңыз, теміржол рельстерін байқаған боларсыз. Рельс қосылыстарында саңылаулар бар. Рельс қосылыстарындағы бұл саңылаулардың қызметі қандай? Кеңейту тақырыбына қатысты ойлануға және сұрауға болатын көптеген нәрселер бар.
Ұзындықтың кеңеюі
Көптеген қатты денелер температурасы өзгерген кезде сызықтық кеңеюге ұшырайды. Бұл ұзындықтың ұлғаюын немесе кемуін білдіреді. Әдетте, заттың ұзындығы температурасы жоғарылаған сайын артады, ал температурасы төмендеген сайын ұзындығы азаяды. Сызықтық кеңею тек жұқа сымдар сияқты заттарда ғана болады деп ойлауыңыз мүмкін. Мысалы, күн сәулесі түсетін жол жиегінде тұрған көлікті қарастырайық. Көлік қызып кеткенде, металл пластина қалыңдауы немесе бүйірлерінің ұзындығы артуы мүмкін. Мырыш шатыры да сызықтық кеңеюге ұшырауы мүмкін. Бұл жағдайда мырыш қызып кеткенде, мырыштың шеттері кеңейеді және мырыш та қалыңдауы мүмкін. Теміржол рельстерінде және темір немесе болат көпірлерде де дәл осындай жағдай болады.
Көптеген қатты денелер температурасы өзгерген кезде кеңейеді немесе жиырылады, сондықтан температураның өзгеруі қатты денелердің кеңеюіне қалай әсер ететінін түсінуіміз керек. Бұл жабдықты, ғимараттарды, көліктерді және т.б. жобалау кезінде өте пайдалы. Мысалы, теміржол рельстеріндегі саңылаулар. Теміржол рельстері болаттан жасалған. Инженерлер әр рельс арасындағы саңылаулардың енін есептеді. Ыстық күні рельстер бірнеше сантиметрге кеңейеді. Пойыз олардың үстінен өткенде, рельстердің температурасы да артады, бұл рельстердің қанша сантиметрге кеңеюіне әкеледі. Суық түнде рельстер қанша сантиметрге кішірейеді. Талдау негізінде инженерлер рельс саңылаулары арасындағы қашықтықты бағалайды, осылайша рельс температурасы көтерілгенде рельстер бір-біріне тиіп, майысып қалмайды.
Температураның өзгеруі мен сызықтық кеңею мөлшері арасындағы байланысты көрсететін формуланы шығаруға көмектесу үшін, оң жақтағы суретте көрсетілгендей, кеңейіп жатқан қатты денені қарастырайық. Тақырып: To = бастапқы температура, T = соңғы температура, Lo = бастапқы ұзындық, L = кеңеюден кейінгі ұзындық, дельта L = ұзындықтың өзгеруі, дельта T = температураның өзгеруі.
Нысанның температурасы = T o болғанда (нысан әлі суық), оның ұзындығы = L o болады. Нысанның температурасы = T болғанда (нысанның температурасы артқанда), оның ұзындығы = L болады. Бақылаулар мен тәжірибелер нәтижелеріне сүйене отырып, нысанның ұзындығының өзгеруі температураның өзгеруіне пропорционалды. Егер температура артса, нысанның ұзындығы артады. Керісінше, температура төмендеген кезде нысанның ұзындығы азаяды. Нысанның ұзындығының өзгеруі де нысанның бастапқы ұзындығына (L o ) пропорционалды. Егер температураның өзгеру шамасы бірдей болса, мысалы, ұзындығы 10 метр болатын нысанның ұзындығы небәрі 5 метр болатын нысанмен салыстырғанда 2 есеге артады. Демек, нысан неғұрлым ұзын болса, нысанның кеңеюі соғұрлым үлкен болады.
Нысан ұзындығының өзгеруі (дельта L) температураның өзгеруіне (дельта T) пропорционалды:
Нысанның ұзындығының өзгеруі (дельта L) нысанның бастапқы ұзындығына (L) пропорционалo):
Әрбір заттың ұзындығының өзгеруі әртүрлі. Ол үлкен болса да температураның өзгеруі Сол сияқты, темірдің кеңеюі шынының кеңеюімен бірдей емес. Басқа заттар үшін де дәл солай. Сондықтан сызықтық кеңею әр заттың сызықтық кеңею коэффициентіне байланысты. Әрбір зат үшін сызықтық кеңею коэффициенті тәжірибе арқылы алынады. Сызықтық кеңею коэффициенті неғұрлым үлкен болса, ұзындықтың ұлғаюы соғұрлым үлкен болады. Сызықтық кеңею коэффициенті неғұрлым кіші болса, ұзындықтың ұлғаюы соғұрлым аз болады. Заттың ұзындығының өзгеруі сызықтық кеңею коэффициентіне пропорционалды деп айтуға болады.
Жоғарыдағы үш салыстыру теңдеуде көрсетілген:
Заттың кеңеюінен немесе қысқаруынан кейінгі жалпы ұзындығын заттың бастапқы ұзындығын (L) қосу арқылы алуға болады.o) және нысан ұзындығының өзгеруі (дельта L).
Температура өзгерген кезде (TT)o) теріс болса, онда ұзындықтың өзгеруі (LL)o) да теріс мәнге ие. Бұл жағдайда нысанның ұзындығы азаяды. Керісінше, егер температура өзгерсе (TTo) оң болса, онда ұзындықтың өзгеруі (LL)o) да оң мәнге ие. Бұл жағдайда заттың ұзындығы артады.
Төменде 20 ° C температурада қатты денелердің сызықтық кеңею коэффициенті келтірілген. Сұйықтықтар мен газдар пішінін өзгертеді, бұл олардың сызықтық кеңеюіне жол бермейді. Қатты денелердің сызықтық кеңею коэффициенті температураға да байланысты. Әртүрлі температурада қатты денелердің сызықтық кеңею коэффициенті де өзгереді. Егер температура айырмашылығы тым үлкен болмаса, сызықтық кеңею коэффициентіндегі айырмашылық та тым үлкен болмайды, сондықтан оны ескермеуге болады.
Көлемді кеңейту
Ұзындықтың кеңеюі тек қатты денелерде ғана болады, ал көлемнің кеңеюі барлық денелерде, қатты, сұйық немесе газ тәрізді болсын, байқалады. Көлемнің кеңею теңдеуі ұзындықтың кеңею теңдеуіне ұқсас.
Жоғарыдағы көлемнің кеңею теңдеуі тек заттың (қатты, сұйық немесе газ тәрізді) көлемінің өзгеруі заттың бастапқы көлемінен аз болған кезде ғана жарамды. Егер заттың көлемінің өзгеруі заттың бастапқы көлемінен үлкен болса, көлемнің кеңею теңдеуі дәл нәтиже бермейді. Әдетте қатты заттар сезінетін көлемнің өзгеруі тым үлкен емес. Керісінше, сұйықтықтар мен газдардың көлем коэффициентінің мәні өте үлкен. Газдар үшін көлем коэффициенті де температураның өзгеруімен оңай өзгереді. Сондықтан, жоғарыдағы формула тек қатты заттардың кеңеюі үшін қолданылады. Газ көлемінің өзгеруін анықтау формуласы 11-сыныптағы газдардың кинетикалық теориясы тақырыбында зерттеледі.
