Om du observerar elkablar noga kommer du att märka att de är böjda nedåt på grund av slack. Varför lossas elkablar medvetet snarare än att bara spännas? De flesta tak i Flores och Lembata, östra Nusa Tenggara, är gjorda av zink (Zn). Under dagen eller på natten låter zinktak. Varför låter zink? Om du bor på ön Java kanske du har observerat järnvägsspår. Det finns springor vid rälsskarvarna. Vad är funktionen av dessa springor vid rälsskarvarna? Det finns många saker du kan tänka på och fråga om relaterat till ämnet expansion.
Längdutvidgning
De flesta fasta ämnen genomgår linjär expansion när deras temperatur förändras. Detta hänvisar till en ökning eller minskning av längden. Vanligtvis ökar ett objekts längd när temperaturen ökar, medan dess längd minskar när temperaturen minskar. Man kanske tror att linjär expansion bara sker i föremål som tunna trådar. Tänk dig till exempel en bil parkerad vid vägkanten exponerad för solljus. När bilen överhettas kan metallplattan bli tjockare eller så kan längden på dess sidor öka. Ett zinktak kan också uppleva linjär expansion. I det här fallet, när zinken överhettas, expanderar zinkens kanter och zinken kan också bli tjockare. Samma sak händer med järnvägsspår och järn- eller stålbroar.
De flesta fasta ämnen expanderar eller krymper när deras temperatur ändras, så vi behöver förstå hur temperaturförändringar påverkar expansionen av fasta ämnen. Detta är mycket användbart vid design av utrustning, byggnader, fordon etc. Till exempel springorna i järnvägsspår. Järnvägsspår är gjorda av stål. Ingenjörer har beräknat bredden på springorna mellan varje räls. På en varm dag kommer rälsen att expandera med flera centimeter. När ett tåg passerar över dem ökar också temperaturen på rälsen, vilket får rälsen att expandera med hur många centimeter. På en kall natt krymper rälsen med hur många centimeter. Baserat på analysen uppskattar ingenjörerna avståndet mellan rälsspalterna så att när rälstemperaturen ökar, vidrör rälsen inte varandra och böjs.
För att hjälpa oss härleda formeln som anger sambandet mellan temperaturförändring och mängden linjär expansion, betrakta ett fast föremål som genomgår expansion, som visas i figuren till höger. Bildtext: To = initialtemperatur, T = sluttemperatur, Lo = initial längd, L = längd efter expansion, delta L = längdförändring, delta T = temperaturförändring.
När objektets temperatur = T o (objektet är fortfarande kallt) är objektets längd = L o . När objektets temperatur = T (objektets temperatur ökar) är objektets längd = L. Baserat på resultaten av observationer och experiment är förändringen i objektets längd proportionell mot temperaturförändringen. Om temperaturen ökar ökar objektets längd. Omvänt, när temperaturen minskar, minskar objektets längd. Förändringen i objektets längd är också proportionell mot objektets ursprungliga längd (L o ). Om storleken på temperaturförändringen är densamma kommer ett objekt som är 10 meter långt, till exempel, att öka i längd med 2x jämfört med ett objekt som bara är 5 meter långt. Så ju längre objektet är, desto större blir objektets expansion.
Förändringen i ett objekts längd (delta L) är proportionell mot temperaturförändringen (delta T):
Förändringen i objektets längd (delta L) är proportionell mot objektets ursprungliga längd (Lo):
Längdförändringen för varje objekt är olika. Även om det är stort temperaturförändringar På liknande sätt är den expansion som järn upplever inte densamma som den som glas upplever. Detsamma gäller för andra föremål. Därför beror den linjära expansionen på varje föremåls linjära expansionskoefficient. Den linjära expansionskoefficienten för varje föremål erhålls genom experiment. Ju större den linjära expansionskoefficienten är, desto större är längdökningen. Ju mindre den linjära expansionskoefficienten är, desto mindre är längdökningen. Man kan säga att förändringen i ett föremåls längd är proportionell mot den linjära expansionskoefficienten.
De tre jämförelserna ovan uttrycks i en ekvation:
Den totala längden av ett objekt efter expansion eller kontraktion kan erhållas genom att addera objektets ursprungliga längd (Lo) och förändringar i objektlängd (delta L).
När temperaturen ändras (TT)o) är negativ, så är längdförändringen (LL)o) är också negativ. I detta fall minskar objektets längd. Omvänt, om temperaturen ändras (TTo) är positiv, så är längdförändringen (LLo) är också positiv. I detta fall ökar objektets längd.
Följande är den linjära expansionskoefficienten för fasta ämnen vid en temperatur på 20 ° C. Vätskor och gaser ändrar form, vilket förhindrar att de upplever linjär expansion. Den linjära expansionskoefficienten för fasta ämnen beror också på temperaturen. Vid olika temperaturer varierar även den linjära expansionskoefficienten för fasta ämnen. Om temperaturskillnaden inte är för stor, kommer skillnaden i den linjära expansionskoefficienten inte heller att vara för stor, så den kan ignoreras.
Volymutvidgning
Längdutvidgning upplevs endast av fasta föremål, volymutvidgning upplevs av alla föremål, oavsett om de är fasta, flytande eller gasformiga. Ekvationen för volymutvidgning liknar ekvationen för längdutvidgning.
Volymutvidgningsekvationen ovan är endast giltig när volymförändringen för ett objekt (fast, flytande eller gasformigt) är mindre än objektets initiala volym. Om volymförändringen för ett objekt är större än objektets initiala volym, ger volymutvidgningsekvationen inte korrekta resultat. Vanligtvis är volymförändringen som upplevs av fasta objekt inte för stor. Däremot är volymkoefficientvärdet för vätskor och gaser ganska stort. Volymkoefficienten för gaser ändras också lätt med temperaturförändringar. Därför används formeln ovan endast för expansion av fasta objekt. Formeln för att bestämma förändringen i gasvolym kommer att studeras i ämnet kinetisk gasteori i årskurs 11.
