Hvis du observerer elektriske kabler nøye, vil du legge merke til at de er buet nedover på grunn av slakk. Hvorfor blir elektriske kabler bevisst løsnet, i stedet for bare å strammes? De fleste tak i Flores og Lembata, Øst-Nusa Tenggara, er laget av sink (Zn). Om dagen eller om natten lager sinktak støy. Hvorfor lager sink støy? Hvis du bor på øya Java, har du kanskje observert jernbanespor. Det er hull i skinneskjøtene. Hva er funksjonen til disse hullene i skinneskjøtene? Det er mange ting du kan tenke på og spørre om knyttet til temaet utvidelse.
Lengdeutvidelse
De fleste faste stoffer gjennomgår lineær utvidelse når temperaturen endres. Dette refererer til en økning eller reduksjon i lengde. Vanligvis øker en gjenstands lengde når temperaturen øker, mens lengden avtar når temperaturen synker. Du tenker kanskje at lineær utvidelse bare forekommer i gjenstander som tynne ledninger. Tenk deg for eksempel en bil parkert på siden av veien utsatt for sollys. Når bilen overopphetes, kan metallplaten bli tykkere, eller lengden på sidene kan øke. Et sinktak kan også oppleve lineær utvidelse. I dette tilfellet, når sinken overopphetes, utvider kantene på sinken seg, og sinken kan også bli tykkere. Det samme skjer med jernbanespor og jern- eller stålbroer.
De fleste faste stoffer utvider seg eller trekker seg sammen når temperaturen endres, så vi må forstå hvordan temperaturendringer påvirker utvidelsen av faste stoffer. Dette er veldig nyttig når man designer utstyr, bygninger, kjøretøy osv. For eksempel åpningene i jernbanespor. Jernbanespor er laget av stål. Ingeniører har beregnet bredden på åpningene mellom hver skinne. På en varm dag vil skinnene utvide seg med flere centimeter. Når et tog passerer over dem, øker også temperaturen på skinnene, noe som får skinnene til å utvide seg med hvor mange centimeter. På en kald natt krymper skinnene med hvor mange centimeter. Basert på analysen estimerer ingeniører avstanden mellom skinneåpningene slik at når skinnetemperaturen øker, berører ikke skinnene hverandre og blir bøyd.
For å hjelpe oss med å utlede formelen som angir forholdet mellom temperaturendring og mengden lineær ekspansjon, kan vi se på et fast objekt som gjennomgår ekspansjon, som vist i figuren til høyre. Bildetekst: To = starttemperatur, T = slutttemperatur, Lo = startlengde, L = lengde etter ekspansjon, delta L = lengdeendring, delta T = temperaturendring.
Når objektets temperatur = T o (objektet er fortsatt kaldt), er objektets lengde = L o . Når objektets temperatur = T (objektets temperatur øker), er objektets lengde = L. Basert på resultatene fra observasjoner og eksperimenter er endringen i objektets lengde proporsjonal med temperaturendringen. Hvis temperaturen øker, øker objektets lengde. Motsatt, når temperaturen synker, reduseres objektets lengde. Endringen i objektets lengde er også proporsjonal med objektets opprinnelige lengde (L o ). Hvis størrelsen på temperaturendringen er den samme, vil for eksempel et objekt som er 10 meter langt, øke i lengde med 2x sammenlignet med et objekt som bare er 5 meter langt. Så jo lengre objektet er, desto større blir objektets utvidelse.
Endringen i lengden på et objekt (delta L) er proporsjonal med temperaturendringen (delta T):
Endringen i objektets lengde (delta L) er proporsjonal med objektets opprinnelige lengde (Lo):
Lengdeendringen på hvert objekt er forskjellig. Selv om det er stort temperaturendringer På samme måte er ikke utvidelsen som jern opplever den samme som glass opplever. Det samme gjelder for andre objekter. Derfor avhenger den lineære utvidelsen av den lineære utvidelseskoeffisienten til hvert objekt. Den lineære utvidelseskoeffisienten for hvert objekt oppnås gjennom eksperimentering. Jo større den lineære utvidelseskoeffisienten er, desto større er lengdeøkningen. Jo mindre den lineære utvidelseskoeffisienten er, desto mindre er lengdeøkningen. Man kan sies at endringen i en objekts lengde er proporsjonal med den lineære utvidelseskoeffisienten.
De tre sammenligningene ovenfor er uttrykt i en ligning:
Den totale lengden på et objekt etter utvidelse eller sammentrekning kan fås ved å legge sammen objektets opprinnelige lengde (Lo) og endringer i objektlengde (delta L).
Når temperaturen endres (TT)o) er negativ, så er endringen i lengde (LL)o) er også negativ. I dette tilfellet reduseres objektets lengde. Omvendt, hvis temperaturen endres (TTo) er positiv, så er endringen i lengde (LLo) er også positiv. I dette tilfellet øker objektets lengde.
Følgende er den lineære utvidelseskoeffisienten for faste stoffer ved en temperatur på 20 ° C. Væsker og gasser endrer form, noe som hindrer dem i å oppleve lineær utvidelse. Den lineære utvidelseskoeffisienten for faste stoffer avhenger også av temperaturen. Ved forskjellige temperaturer varierer også den lineære utvidelseskoeffisienten for faste stoffer. Hvis temperaturforskjellen ikke er for stor, vil forskjellen i den lineære utvidelseskoeffisienten heller ikke være for stor, så den kan ignoreres.
Volumutvidelse
Lengdeutvidelse oppleves kun av faste objekter, volumutvidelse oppleves av alle objekter, enten de er faste, flytende eller gassformige. Ligningen for volumutvidelse er lik ligningen for lengdeutvidelse.
Volumutvidelsesligningen ovenfor er bare gyldig når volumendringen til et objekt (enten fast, flytende eller gassformig) er mindre enn objektets startvolum. Hvis volumendringen til et objekt er større enn objektets startvolum, gir ikke volumutvidelsesligningen nøyaktige resultater. Vanligvis er volumendringen som oppleves av faste objekter ikke for stor. I motsetning til dette er volumkoeffisientverdien for væsker og gasser ganske stor. Volumkoeffisienten for gasser endres også lett med temperaturendringer. Derfor brukes formelen ovenfor bare for utvidelse av faste objekter. Formelen for å bestemme endringen i gassvolum vil bli studert i emnet kinetisk teori for gasser i 11. klasse.
