Poznato je da pod utjecajem topline čestice ubrzavaju svoje kaotično kretanje. Ako zagrijete plin, tada će se molekule koje ga čine jednostavno raspršiti jedna od druge. Zagrijana tekućina će prvo povećati volumen, a zatim početi isparavati. Što će se dogoditi s čvrstim tvarima? Ne može svaki od njih promijeniti svoje stanje agregacije.
Definicija toplinske ekspanzije
Toplinska ekspanzija je promjena veličine i oblika tijela s promjenom temperature. Matematički je moguće izračunati koeficijent volumetrijske ekspanzije, koji omogućuje predviđanje ponašanja plinova i tekućina u promjenjivim vanjskim uvjetima. Da bi se dobili isti rezultati za čvrsta tijela, mora se uzeti u obzir koeficijent linearne ekspanzije. Fizičari su za ovakvu vrstu istraživanja izdvojili cijeli dio i nazvali ga dilatometrija.
Inženjeri i arhitekti trebaju znanje o ponašanju različitih materijala pod utjecajem visokih i niskih temperatura za projektiranje zgrada, polaganje cesta i cijevi.
Proširenje plina
Termičkiširenje plinova prati širenje njihovog volumena u prostoru. To su primijetili prirodni filozofi u davna vremena, ali samo su moderni fizičari uspjeli izgraditi matematičke izračune.
Prije svega, znanstvenici su se zainteresirali za širenje zraka, jer im se to činilo izvedivim zadatkom. Toliko su revno ušli u posao da su dobili prilično kontradiktorne rezultate. Naravno, znanstvena zajednica nije bila zadovoljna takvim ishodom. Točnost mjerenja ovisila je o korištenom termometru, tlaku i nizu drugih uvjeta. Neki su fizičari čak došli do zaključka da širenje plinova ne ovisi o promjenama temperature. Ili je ova ovisnost nepotpuna…
Djela D altona i Gay-Lussaca
Fizičari bi se nastavili svađati sve dok ne promukli ili bi odustali od mjerenja da nije Johna D altona. On i drugi fizičar, Gay-Lussac, uspjeli su samostalno dobiti iste rezultate mjerenja u isto vrijeme.
Lussac je pokušao pronaći razlog za toliko različitih rezultata i primijetio je da su neki uređaji u vrijeme eksperimenta imali vodu. Naravno, u procesu zagrijavanja se pretvarao u paru i mijenjao količinu i sastav proučavanih plinova. Stoga je prvo što je znanstvenik učinio bilo da je temeljito osušio sve instrumente koje je koristio za provođenje eksperimenta i isključio čak i minimalni postotak vlage iz plina koji se proučava. Nakon svih ovih manipulacija, prvih nekoliko eksperimenata pokazalo se pouzdanijim.
D alton se dulje bavio ovim problemomnjegov kolega i rezultate objavio na samom početku 19. stoljeća. Osušio je zrak parama sumporne kiseline, a zatim ga zagrijao. Nakon niza eksperimenata, John je došao do zaključka da se svi plinovi i para šire za faktor 0,376. Lussac je dobio broj 0,375. To je postao službeni rezultat studije.
Elastičnost vodene pare
Terminsko širenje plinova ovisi o njihovoj elastičnosti, odnosno sposobnosti povratka u prvobitni volumen. Ziegler je bio prvi koji je istražio ovo pitanje sredinom osamnaestog stoljeća. Ali rezultati njegovih eksperimenata su se previše razlikovali. Pouzdanije brojke dobio je James Watt, koji je koristio kotao za visoke temperature i barometar za niske temperature.
Krajem 18. stoljeća, francuski fizičar Prony pokušao je izvesti jednu formulu koja bi opisala elastičnost plinova, ali se pokazalo da je previše glomazna i teška za korištenje. D alton je odlučio testirati sve izračune empirijski, koristeći za to sifonski barometar. Unatoč činjenici da temperatura nije bila ista u svim pokusima, rezultati su bili vrlo točni. Stoga ih je objavio kao tablicu u svom udžbeniku fizike.
Teorija isparavanja
Terminsko širenje plinova (kao fizikalna teorija) doživjelo je razne promjene. Znanstvenici su pokušali doći do dna procesa u kojima nastaje para. I tu se opet istaknuo poznati fizičar D alton. Pretpostavio je da je svaki prostor zasićen plinskom parom, bez obzira na to da li je prisutan u ovom rezervoaru(soba) bilo koji drugi plin ili para. Stoga se može zaključiti da tekućina neće ispariti jednostavnim dolaskom u dodir s atmosferskim zrakom.
Pritisak stupca zraka na površinu tekućine povećava prostor između atoma, razdire ih i isparava, odnosno doprinosi stvaranju pare. Ali gravitacija nastavlja djelovati na molekule pare, pa su znanstvenici izračunali da atmosferski tlak nema utjecaja na isparavanje tekućina.
Proširenje tekućina
Terminsko širenje tekućina istraživano je paralelno s širenjem plinova. Isti znanstvenici su se bavili znanstvenim istraživanjem. Da bi to učinili, koristili su termometre, aerometre, komunikacijske posude i druge instrumente.
Svi pokusi zajedno i svaki zasebno pobijali su D altonovu teoriju da se homogene tekućine šire proporcionalno kvadratu temperature na koju se zagrijavaju. Naravno, što je temperatura viša, to je veći volumen tekućine, ali nije bilo izravne veze između toga. Da, i brzina ekspanzije svih tekućina bila je različita.
Terminsko širenje vode, na primjer, počinje na nula stupnjeva Celzijusa i nastavlja se kako temperatura pada. Ranije su takvi rezultati eksperimenata bili povezani s činjenicom da se sama voda ne širi, već se posuda u kojoj se nalazi sužava. No, nešto kasnije, fizičar Deluca je ipak došao do zaključka da uzrok treba tražiti u samoj tekućini. Odlučio je pronaći temperaturu njegove najveće gustoće. Međutim, zbog zanemarivanja nije uspioneki detalji. Rumforth, koji je proučavao ovaj fenomen, otkrio je da se najveća gustoća vode opaža u rasponu od 4 do 5 stupnjeva Celzija.
Termičko širenje tijela
U čvrstim tvarima, glavni mehanizam širenja je promjena amplitude vibracija kristalne rešetke. Jednostavnim riječima, atomi koji čine materijal i koji su čvrsto povezani jedan s drugim počinju "drhtati".
Zakon toplinskog širenja tijela formuliran je na sljedeći način: svako tijelo linearne veličine L u procesu zagrijavanja za dT (delta T je razlika između početne temperature i konačne temperature), širi se za dL (delta L je derivacija koeficijenta linearnog toplinskog širenja prema duljini objekta i temperaturnoj razlici). Ovo je najjednostavnija verzija ovog zakona, koja prema zadanim postavkama uzima u obzir da se tijelo širi u svim smjerovima odjednom. Ali za praktični rad koriste se mnogo glomazniji izračuni, budući da se u stvarnosti materijali ponašaju drugačije od onih koje su modelirali fizičari i matematičari.
Termičko širenje tračnice
Inženjeri fizike uvijek su uključeni u polaganje željezničke pruge, jer mogu točno izračunati koliki bi razmak trebao biti između tračničkih spojeva kako se kolosijeci ne bi deformirali kada se griju ili hlade..
Kao što je gore spomenuto, toplinsko linearno širenje primjenjivo je na sve čvrste tvari. I željeznica nije iznimka. Ali postoji jedan detalj. Linearna promjenaslobodno se javlja ako na tijelo ne djeluje sila trenja. Tračnice su čvrsto pričvršćene na pragove i zavarene na susjedne tračnice, pa zakon koji opisuje promjenu duljine uzima u obzir svladavanje prepreka u obliku linearnih i sučeonih otpora.
Ako tračnica ne može promijeniti svoju duljinu, tada se s promjenom temperature u njoj povećava toplinsko naprezanje, što je može rastegnuti i stisnuti. Ovaj fenomen je opisan Hookeovim zakonom.
