Ak si pozorne prezriete elektrické káble, všimnete si, že sú kvôli vôli zakrivené smerom nadol. Prečo sú elektrické káble zámerne uvoľnené, a nie len napnuté? Väčšina striech vo Flores a Lembata, Východné Nusa Tenggara, je vyrobená zo zinku (Zn). Cez deň alebo v noci vydávajú zinkové strechy hluk. Prečo vydáva zinok hluk? Ak žijete na ostrove Jáva, možno ste si všimli železničné koľaje. V miestach spojov koľajníc sú medzery. Akú funkciu majú tieto medzery v miestach spojov koľajníc? Existuje veľa vecí, o ktorých môžete premýšľať a na ktoré sa môžete pýtať v súvislosti s témou rozťahovania.
Rozšírenie dĺžky
Väčšina pevných látok podlieha lineárnej rozťažnosti pri zmene teploty. To sa týka zväčšovania alebo zmenšovania dĺžky. Dĺžka objektu sa zvyčajne zväčšuje so zvyšujúcou sa teplotou, zatiaľ čo jeho dĺžka sa zmenšuje so znižujúcou sa teplotou. Možno si myslíte, že k lineárnej rozťažnosti dochádza iba u objektov, ako sú tenké drôty. Predstavte si napríklad auto zaparkované na kraji cesty vystavené slnečnému žiareniu. Keď sa auto prehreje, kovový plech sa môže zhrubnúť alebo sa môže zväčšiť dĺžka jeho strán. Zinková strecha môže tiež zažívať lineárnu rozťažnosť. V tomto prípade, keď sa zinok prehreje, okraje zinku sa roztiahnu a zinok sa môže tiež zhrubnúť. To isté sa deje so železničnými koľajami a železnými alebo oceľovými mostami.
Väčšina pevných látok sa rozťahuje alebo sťahuje pri zmene teploty, preto musíme pochopiť, ako zmeny teploty ovplyvňujú rozťahovanie pevných látok. To je veľmi užitočné pri navrhovaní zariadení, budov, vozidiel atď. Napríklad medzery v železničných koľajniciach. Železničné koľaje sú vyrobené z ocele. Inžinieri vypočítali šírku medzier medzi jednotlivými koľajnicami. V horúcom dni sa koľajnice roztiahnu o niekoľko centimetrov. Keď po nich prejde vlak, zvýši sa aj teplota koľajníc, čo spôsobí ich roztiahnutie o koľko centimetrov. V chladnej noci sa koľajnice o koľko centimetrov zmenšia. Na základe analýzy inžinieri odhadnú vzdialenosť medzi medzerami koľajníc tak, aby sa pri zvýšení teploty koľajníc koľajnice navzájom nedotýkali a neohýbali.
Aby sme odvodili vzorec, ktorý vyjadruje vzťah medzi zmenou teploty a mierou lineárnej rozťažnosti, uvažujme pevný objekt, ktorý sa rozpína, ako je znázornené na obrázku vpravo. Popis: To = počiatočná teplota, T = konečná teplota, Lo = počiatočná dĺžka, L = dĺžka po roztiahnutí, delta L = zmena dĺžky, delta T = zmena teploty.
Keď je teplota objektu = T o (objekt je stále studený), dĺžka objektu = L o . Keď je teplota objektu = T (teplota objektu sa zvyšuje), dĺžka objektu = L. Na základe výsledkov pozorovaní a experimentov je zmena dĺžky objektu úmerná zmene teploty. Ak sa teplota zvyšuje, dĺžka objektu sa zväčšuje. Naopak, keď sa teplota znižuje, dĺžka objektu sa zmenšuje. Zmena dĺžky objektu je tiež úmerná počiatočnej dĺžke objektu (L o ). Ak je veľkosť zmeny teploty rovnaká, objekt, ktorý má napríklad dĺžku 10 metrov, sa zväčší na dĺžku 2x v porovnaní s objektom, ktorý má iba 5 metrov. Čím je teda objekt dlhší, tým väčšia je jeho rozťažnosť.
Zmena dĺžky objektu (delta L) je úmerná zmene teploty (delta T):
Zmena dĺžky objektu (delta L) je úmerná počiatočnej dĺžke objektu (Lo):
Zmena dĺžky každého objektu je iná. Aj keď je veľký zmeny teploty Podobne, rozťažnosť železa nie je rovnaká ako rozťažnosť skla. To isté platí aj pre iné objekty. Preto lineárna rozťažnosť závisí od koeficientu lineárnej rozťažnosti každého objektu. Koeficient lineárnej rozťažnosti pre každý objekt sa získa experimentálne. Čím väčší je koeficient lineárnej rozťažnosti, tým väčšie je zväčšenie dĺžky. Čím menší je koeficient lineárnej rozťažnosti, tým menšie je zväčšenie dĺžky. Dá sa povedať, že zmena dĺžky objektu je úmerná koeficientu lineárnej rozťažnosti.
Tri vyššie uvedené porovnania sú vyjadrené v rovnici:
Celkovú dĺžku objektu po roztiahnutí alebo stiahnutí možno získať sčítaním počiatočnej dĺžky objektu (Lo) a zmeny dĺžky objektu (delta L).
Pri zmene teploty (TT)o) je záporná, potom zmena dĺžky (LL)o) je tiež záporná. V tomto prípade sa dĺžka objektu zmenšuje. Naopak, ak sa zmení teplota (TTo) je kladná, potom zmena dĺžky (LLo) je tiež kladné. V tomto prípade sa dĺžka objektu zväčšuje.
Nasleduje koeficient lineárnej rozťažnosti pevných látok pri teplote 20 ° C. Kvapaliny a plyny menia tvar, čo im bráni v lineárnej rozťažnosti. Koeficient lineárnej rozťažnosti pevných látok závisí aj od teploty. Pri rôznych teplotách sa koeficient lineárnej rozťažnosti pevných látok tiež mení. Ak teplotný rozdiel nie je príliš veľký, rozdiel v koeficiente lineárnej rozťažnosti nebude príliš veľký, takže ho možno zanedbať.
Rozšírenie objemu
Rozťahovanie dĺžky zažívajú iba pevné telesá, rozťahovanie objemu zažívajú všetky telesá, či už pevné, kvapalné alebo plynné. Rovnica pre rozťahovanie objemu je podobná rovnici pre rozťahovanie dĺžky.
Vyššie uvedená rovnica objemovej expanzie platí iba vtedy, keď je zmena objemu objektu (či už pevnej látky, kvapaliny alebo plynu) menšia ako počiatočný objem objektu. Ak je zmena objemu objektu väčšia ako počiatočný objem objektu, rovnica objemovej expanzie neposkytuje presné výsledky. Zmena objemu pevných objektov zvyčajne nie je príliš veľká. Naproti tomu hodnota objemového koeficientu kvapalín a plynov je pomerne veľká. Objemový koeficient plynov sa tiež ľahko mení so zmenami teploty. Preto sa vyššie uvedený vzorec používa iba pre expanziu pevných objektov. Vzorec na určenie zmeny objemu plynu sa bude študovať v téme kinetická teória plynov v 11. ročníku.
