Jeśli przyjrzysz się uważnie kablowi elektrycznemu, zauważysz, że jest on wygięty w dół z powodu luzu. Dlaczego kable elektryczne są celowo luźno naciągane, a nie po prostu dokręcane? Większość dachów na Flores i Lembacie, we wschodniej części Nusa Tenggara, jest wykonana z cynku (Zn). Zarówno w dzień, jak i w nocy dachy cynkowe hałasują. Dlaczego cynk hałasuje? Jeśli mieszkasz na Jawie, prawdopodobnie widziałeś tory kolejowe. W miejscach łączenia szyn są szczeliny. Jaka jest funkcja tych szczelin w łączeniach szyn? Jest wiele innych rzeczy, o których możesz pomyśleć i o które możesz zapytać w związku z tym tematem. ekspansja.
Rozszerzenie długości
Większość ciał stałych ulega rozszerzalności liniowej pod wpływem zmian temperatury. Oznacza to, że długość obiektu zwiększa się lub zmniejsza. Zazwyczaj długość obiektu zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury, a długość obiektu zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury. Można by pomyśleć, że rozszerzalność liniowa występuje tylko w obiektach takich jak cienkie druty. Rozważmy na przykład samochód zaparkowany na poboczu drogi wystawiony na działanie promieni słonecznych. Gdy samochód się przegrzeje, metalowa płyta może stać się grubsza lub długość jego boków może się zwiększyć. Dach cynkowy również może ulegać rozszerzalności liniowej. W takim przypadku, gdy cynk jest przegrzany, jego krawędzie rozszerzają się, a sam cynk może również stać się grubszy. To samo dzieje się z torami kolejowymi i mostami żelaznymi lub stalowymi.
Większość ciał stałych rozszerza się lub kurczy pod wpływem zmian temperatury, dlatego musimy zrozumieć, jak zmiany temperatury wpływają na rozszerzalność cieplną ciał stałych. Jest to bardzo pomocne przy projektowaniu urządzeń, budynków, pojazdów itp. Na przykład szczelin w torach kolejowych. Tory kolejowe są wykonane ze stali. Inżynierowie obliczyli szerokość szczelin między szynami. W upalny dzień szyny rozszerzają się o kilka centymetrów. Gdy przejeżdża po nich pociąg, temperatura szyn również wzrasta, powodując ich rozszerzenie o ile centymetrów. W zimną noc szyny kurczą się o ile centymetrów? Na podstawie tej analizy inżynierowie szacują odległość między szczelinami szynowymi, tak aby przy wzroście temperatury szyny nie stykały się ze sobą i nie wyginały.
Aby pomóc nam wyprowadzić wzór opisujący zależność między zmianą temperatury a stopniem rozszerzalności liniowej, rozważmy rozszerzający się obiekt stały, jak pokazano na rysunku po prawej stronie. Podpis: To = temperatura początkowa, T = temperatura końcowa, Lo = długość początkowa, L = długość po rozszerzeniu, delta L = zmiana długości, delta T = zmiana temperatury.
Gdy temperatura obiektu = To (obiekt jest nadal zimny), długość obiektu = LoGdy temperatura obiektu = T (temperatura obiektu wzrasta), długość obiektu = L. Na podstawie wyników obserwacji i eksperymentów, zmiana długości obiektu jest proporcjonalna do zmiany temperatury. Jeśli temperatura wzrasta, długość obiektu rośnie. I odwrotnie, gdy temperatura spada, długość obiektu maleje. Zmiana długości obiektu jest również proporcjonalna do jego początkowej długości (L).o). Jeśli wielkość zmiany temperatury jest taka sama, obiekt o długości na przykład 10 metrów zwiększy swoją długość dwukrotnie w porównaniu z obiektem o długości zaledwie 5 metrów. Zatem im dłuższy obiekt, tym większa jest jego ekspansja.
Zmiana długości obiektu (delta L) jest proporcjonalna do zmiany temperatury (delta T):
Zmiana długości obiektu (delta L) jest proporcjonalna do początkowej długości obiektu (Lo)
Zmiana długości każdego obiektu jest inna. Mimo że jest on duży zmiany temperatury Podobnie, rozszerzalność liniowa żelaza nie jest taka sama jak rozszerzalność szkła. To samo dotyczy innych obiektów. Zatem rozszerzalność liniowa zależy od współczynnika rozszerzalności liniowej każdego obiektu. Współczynnik rozszerzalności liniowej dla każdego obiektu jest wyznaczany eksperymentalnie. Im większy współczynnik rozszerzalności liniowej, tym większy wzrost długości. Im mniejszy współczynnik rozszerzalności liniowej, tym mniejszy wzrost długości. Można powiedzieć, że zmiana długości obiektu jest proporcjonalna do współczynnika rozszerzalności liniowej.
Powyższe trzy porównania wyrażono następującym równaniem:
Całkowitą długość obiektu po rozszerzeniu lub skurczeniu można uzyskać, sumując początkową długość obiektu (Lo) i zmiany długości obiektu (delta L).
Kiedy zmienia się temperatura (TT)o) jest ujemna, wówczas zmiana długości (LL)o) jest również ujemne. W tym przypadku długość obiektu maleje. I odwrotnie, jeśli zmiana temperatury (TTo) jest dodatnia, wówczas zmiana długości (LLo) jest również dodatnie. W tym przypadku długość obiektu wzrasta.
Poniżej podano wartość współczynnika rozszerzalności liniowej ciał stałych w temperaturze 20°C. oC. Ciecze i gazy zmieniają kształt, co uniemożliwia im rozszerzalność liniową. Współczynnik rozszerzalności liniowej ciał stałych zależy również od temperatury. W różnych temperaturach współczynnik rozszerzalności liniowej ciał stałych również ulega zmianie. Jeśli różnica temperatur nie jest zbyt duża, różnica współczynnika rozszerzalności liniowej również nie będzie zbyt duża, więc można ją pominąć.
Rozszerzenie objętości
Rozszerzanie się długości występuje tylko w przypadku ciał stałych, natomiast rozszerzanie objętości występuje u wszystkich ciał, zarówno stałych, ciekłych, jak i gazowych. Równanie opisujące rozszerzanie się objętości jest podobne do równania opisującego rozszerzanie się długości.
Powyższe równanie rozszerzalności objętości jest ważne tylko wtedy, gdy zmiana objętości obiektu (stałego, ciekłego lub gazowego) jest mniejsza niż jego początkowa objętość. Jeśli zmiana objętości obiektu jest większa niż jego początkowa objętość, równanie rozszerzalności objętości nie daje dokładnych wyników. Zazwyczaj zmiana objętości obiektów stałych nie jest zbyt duża. Natomiast wartości współczynnika objętości dla cieczy i gazów są dość duże. Współczynnik objętości dla gazów również łatwo ulega zmianie wraz ze zmianą temperatury. Dlatego powyższy wzór jest stosowany tylko do rozszerzalności ciał stałych. Wzór na określenie zmiany objętości gazu zostanie omówiony w ramach tematu „Kinetyczna teoria gazów” w klasie 11.
