Если внимательно присмотреться к электрическим кабелям, можно заметить, что они изогнуты вниз из-за провисания. Почему электрические кабели намеренно ослабляют, а не просто натягивают? Большинство крыш на Флоресе и в Лембате, Восточная Нуса-Тенгара, сделаны из цинка (Zn). Днём и ночью цинковые крыши издают шум. Почему цинк издаёт шум? Если вы живёте на острове Ява, вы, возможно, наблюдали за железнодорожными путями. В местах стыков рельсов есть зазоры. Какова функция этих зазоров в местах стыков? Есть много вопросов и размышлений, связанных с темой расширения.
Расширение длины
Большинство твердых тел подвергаются линейному расширению при изменении температуры. Это означает увеличение или уменьшение длины. Как правило, длина объекта увеличивается с повышением температуры, а уменьшается — с понижением. Можно подумать, что линейное расширение происходит только у таких объектов, как тонкие проволоки. Например, рассмотрим автомобиль, припаркованный на обочине дороги и подверженный воздействию солнечных лучей. При перегреве автомобиля металлическая пластина может утолщаться, а длина её сторон увеличиваться. Цинковая крыша также может подвергаться линейному расширению. В этом случае при перегреве цинка края пластины расширяются, и цинк также может утолщаться. То же самое происходит с железнодорожными путями и железными или стальными мостами.
Большинство твердых тел расширяются или сжимаются при изменении температуры, поэтому нам необходимо понимать, как изменения температуры влияют на расширение твердых тел. Это очень полезно при проектировании оборудования, зданий, транспортных средств и т. д. Например, зазоры в железнодорожных путях. Железнодорожные пути изготавливаются из стали. Инженеры рассчитали ширину зазоров между каждым рельсом. В жаркий день рельсы расширяются на несколько сантиметров. Когда по ним проезжает поезд, температура рельсов также повышается, вызывая расширение на сколько сантиметров. В холодную ночь рельсы сжимаются на сколько сантиметров. На основе анализа инженеры оценивают расстояние между зазорами рельсов таким образом, чтобы при повышении температуры рельсы не соприкасались друг с другом и не деформировались.
Чтобы вывести формулу, описывающую зависимость между изменением температуры и величиной линейного расширения, рассмотрим твердый объект, подвергающийся расширению, как показано на рисунке справа. Подпись: To = начальная температура, T = конечная температура, Lo = начальная длина, L = длина после расширения, ΔL = изменение длины, ΔT = изменение температуры.
Когда температура объекта равна T₀ ( объект еще холодный), длина объекта равна L₀ . Когда температура объекта равна T (температура объекта повышается), длина объекта равна L. На основе результатов наблюдений и экспериментов установлено, что изменение длины объекта пропорционально изменению температуры. При повышении температуры длина объекта увеличивается. И наоборот, при понижении температуры длина объекта уменьшается. Изменение длины объекта также пропорционально его начальной длине (L₀ ) . Если величина изменения температуры одинакова, то, например, объект длиной 10 метров увеличится в длину в 2 раза по сравнению с объектом длиной всего 5 метров. Таким образом, чем длиннее объект, тем больше его расширение.
Изменение длины объекта (ΔL) пропорционально изменению температуры (ΔT):
Изменение длины объекта (ΔL) пропорционально его начальной длине (L).o):
Изменение длины каждого объекта различно. Даже несмотря на то, что он большой. изменения температуры Аналогично, расширение железа отличается от расширения стекла. То же самое справедливо и для других предметов. Следовательно, линейное расширение зависит от коэффициента линейного расширения каждого предмета. Коэффициент линейного расширения для каждого предмета определяется экспериментальным путем. Чем больше коэффициент линейного расширения, тем больше увеличение длины. Чем меньше коэффициент линейного расширения, тем меньше увеличение длины. Можно сказать, что изменение длины предмета пропорционально коэффициенту линейного расширения.
Три приведенных выше сравнения выражены в виде уравнения:
Общую длину объекта после расширения или сжатия можно получить, сложив начальную длину объекта (L).o) и изменения длины объекта (дельта L).
Когда температура меняется (ТТ)oЕсли ) отрицательно, то изменение длины (LL)o) также отрицательно. В этом случае длина объекта уменьшается. И наоборот, если температура изменяется (ТТ).oЕсли ) положительно, то изменение длины (LL)o) также положительно. В этом случае длина объекта увеличивается.
Ниже приведен коэффициент линейного расширения твердых тел при температуре 20 ° C. Жидкости и газы изменяют свою форму, что препятствует их линейному расширению. Коэффициент линейного расширения твердых тел также зависит от температуры. При разных температурах коэффициент линейного расширения твердых тел также изменяется. Если разница температур не слишком велика, разница в коэффициенте линейного расширения также не будет слишком велика, поэтому ею можно пренебречь.
Расширение объема
Расширение по длине наблюдается только у твердых тел, расширение по объему наблюдается у всех тел, будь то твердые тела, жидкости или газы. Уравнение для расширения по объему аналогично уравнению для расширения по длине.
Приведенное выше уравнение объемного расширения справедливо только тогда, когда изменение объема объекта (будь то твердое тело, жидкость или газ) меньше его начального объема. Если изменение объема объекта больше его начального объема, уравнение объемного расширения не дает точных результатов. Обычно изменение объема твердых объектов не слишком велико. В отличие от этого, значение коэффициента объема жидкостей и газов довольно велико. Коэффициент объема газов также легко изменяется при изменении температуры. Поэтому приведенная выше формула используется только для расширения твердых объектов. Формула для определения изменения объема газа будет изучена в рамках темы «Кинетическая теория газов» в 11 классе.
