Tahkete ainete ja vedelike termiline paisumine

On teada, et kuumuse mõjul kiirendavad osakesed nende kaootilist liikumist. Gaasi kuumutamisel molekulid, mis moodustavad selle, lihtsalt lendavad välja. Kuumutatud vedelik suurendab esmalt mahtu ja siis hakkab see aurustuma. Ja mis juhtub tahkete kehadega? Mitte igaüks neist ei saa oma agregeeritud olekut muuta.

Termiline paisumine: määratlus

Termiline paisumine on keha mõõtmete ja kuju muutumine, kui temperatuur muutub. Matemaatiliselt on võimalik arvutada mahu laiendustegurit, mis võimaldab prognoosida gaaside ja vedelike käitumist väliste tingimuste muutmisel. Tahkete ainete jaoks samade tulemuste saamiseks tuleb arvesse võtta lineaarse laienemise koefitsienti. Füüsikud on kindlaks määranud kogu selle teadustöö tüüpi ja nimetanud seda dilatometryks.

Insenerid ja arhitektid vajavad teadmisi erinevate materjalide käitumise kohta kõrgel ja madalal temperatuuril ehitiste, teede ja torude kujundamisel.

Gaaside laiendamine

Gaaside termilise laienemisega kaasneb nende mahu laienemine ruumis. Looduslikud filosoofid märkasid seda iidsetest aegadest, kuid ainult kaasaegsed füüsikud võiksid ehitada matemaatilisi arvutusi.

Esiteks olid teadlased huvitatud õhu laienemisest, sest neile tundus neile teostatav ülesanne. Nad said nii innukalt tegeleda sellega, et neil on üsna vastuolulised tulemused. Loomulikult ei rahuldanud teadlaskond sellist tulemust. Mõõtmise täpsus oleneb kasutatud termomeetrist, rõhul ja paljudel teistel tingimustel. Mõned füüsikud on isegi jõudnud järeldusele, et gaaside laienemine ei sõltu temperatuurimuutustest. Või see sõltuvus ei ole täielik ...

Daltoni ja Gay-Lussaci teosed

Füüsikud arutavad jätkuvalt, kuni nad on hirmulikud või ignoreerivad mõõtmisi, välja arvatud John Dalton. Ta ja teine füüsik, Gay-Lussac, võisid samal ajal üksteisest sõltumatult saada samu mõõtmistulemusi.

Lussac püüdis leida nii palju erinevaid tulemusi ja märkasin, et mõnel seadmel katse ajal oli vesi. Loomulikult muutus kütmisprotsessi käigus aurudeks ja muudeti uuritavate gaaside hulka ja koostist. Seepärast oli teadlase esimene asi - hoolikalt kuivada kõik instrumendid, mida ta kasutas eksperimendi läbiviimiseks, ning välistas isegi uuritava gaasi niiskuse miinimumprotsendi. Pärast kõiki neid manipuleerimisi osutusid esimesed katsed usaldusväärsemaks.

Dalton käsitles seda küsimust kauem kui tema kolleeg ja avaldas tulemused isegi XIX sajandi alguses. Ta kuivas õhku väävelhappe aurudega ja kuumutati seda. Pärast mitmeid katseid jõudis John järeldusele, et kõik gaasid ja aurud suurenevad 0,376 teguriga. Lussac sai numbri 0,375. See sai uuringu ametlikuks tulemuseks.

Veeauru elastsus

Gaaside termiline paisumine sõltub nende elastsusest, st võimest algse mahuni naasta. Esimene küsimus hakkas uurima Zieglerit 18. sajandi keskel. Kuid tema eksperimentide tulemused olid liiga erinevad. Usaldusväärsemaid näitajaid omandas James Watt, kes kasutas kõrgekvaliteedilist boilerit ja madala temperatuuri baromeetrit.

18. sajandi lõpus püüdis prantsuse füüsik Prony leida ühtse valemi, mis kirjeldaks gaaside elastsust, kuid see osutub liiga tülikaks ja raskesti kasutatavaks. Dalton otsustas katsetada kõiki arvutusi, kasutades selleks sifoonbaromeetri. Vaatamata asjaolule, et kõigis eksperimentides ei olnud temperatuur ühesugune, olid tulemused väga täpsed. Seetõttu avaldas ta oma füüsika õpikus tabeli kujul.

Aurustumisteooria

Gaaside soojuspaisumine (füüsikaline teooria) on läbi teinud mitmeid muutusi. Teadlased on püüdnud jõuda aurude tekke protsesside sisusse. Siin jällegi eristada juba teadaolevat füüsikat Daltonit. Ta väitis, et igasugune ruum on küllastunud gaasiaurudega, olenemata sellest, kas selles reservuaaris (ruumis) on mõni teine gaas või aur. Sellest tulenevalt võib järeldada, et vedelik ei aurustu, lihtsalt kokku puutudes atmosfääriõhuga.

Õhu veeru rõhk vedeliku pinnale suurendab aatomitevahelist ruumi, eraldab neid ja aurustub, see tähendab auru moodustumist. Kuid raskusjõu mõju auru molekulidele jätkub, nii et teadlased arvasid, et atmosfäärirõhk ei mõjuta vedelike aurustumist.

Vedelike laiendamine

Vedelike soojuspaisumist uuriti paralleelselt gaaside laiendamisega. Teadusuuringuid viisid läbi samad teadlased. Selleks kasutasid nad termomeetreid, aeromeetreid, suhtluslaevu ja muid vahendeid.

Kõik katsed koos ja iga eraldi Daltoni teooriaga väidavad, et homogeensed vedelikud laienevad proportsionaalselt temperatuuri ruuduga, milles neid kuumutatakse. Muidugi, mida kõrgem on temperatuur, seda suurem on vedeliku maht, kuid selle vahel ei olnud otsest seost. Ja kõigi vedelike laiendamise määr oli erinev.

Näiteks vee soojuspaisumine algab null kraadi Celsiuse juures ja jätkub temperatuuri langusega. Varem olid need eksperimentide tulemused tingitud asjaolust, et vesi ei laiene, kuid selle võimsus, milles see asub, kitsendab. Kuid mõni aeg hiljem jõudis füüsik Delyuk järeldusele, et vedelikku tuleb otsida. Ta otsustas leida selle suurima tiheduse temperatuuri. Kuid see ebaõnnestus, kuna jäeti tähelepanuta teatud üksikasjad. Rumforti, kes selle nähtuse uuris, leidis, et vee maksimaalne tihedus on vahemikus 4 kuni 5 kraadi.

Korpuste termiline paisumine

Tahkete ainete korral on laienemise peamine mehhanism kristallvõre vibratsiooni amplituudi muutus. Lihtsamalt öeldes hakkavad "värisema" aatomid, mis moodustavad materjali ja jäigalt üksteise külge kinni jäävad.

Korpuste soojuspaisumise seadus on sõnastatud järgmiselt: iga keha lineaarse mõõtmega L, mida kuumutamisel on dT (delta T on algtemperatuuri ja lõpliku erinevus), laieneb dL-ga (delta L on lineaarse soojuspaisumise koefitsient tuletis objekti pikkuses ja erinevus Temperatuur). See on selle seaduse lihtsaim versioon, mis vaikimisi arvestab, et keha laieneb kohe kõikides suundades. Kuid praktiliseks tööks kasutatakse palju tülikamalt arvutusi, kuna tegelikkuses toimivad materjalid erinevalt kui füüsikud ja matemaatikud.

Raudtee termiline paisumine

Raudtee rööbastee paigaldamiseks on alati fikseerijad meelitatud, kuna nad suudavad täpselt arvutada rööbastee liigendite vahelist kaugust, nii et kuumutamisel või jahutamisel rajad ei deformeerita.

Nagu eespool juba mainitud, on termiline lineaarne laiendamine kohaldatav kõikide tahkete ainete puhul. Ja raudtee ei olnud erand. Kuid on üks detail. Lineaarne muutus toimub vabalt, kui hõõrdumist keha ei mõjuta. Rööpad on jäigalt kinnitatud liipridesse ja keevitatud külgnevate rööpade külge, nii et pikkade muutusi kirjeldav seadus võtab arvesse takistuste ületamist nii töö- kui ka vastupanuvõime kujul.

Kui rööp ei saa oma pikkust muuta, muutub see temperatuuri muutudes soojuslikku stressi, mis võib nii venitada kui ka suruda. Seda nähtust kirjeldab Hooke'i seadus.