Det er kendt, at partikler under påvirkning af varme accelererer deres kaotiske bevægelse. Hvis du opvarmer en gas, så vil molekylerne, der udgør den, simpelthen spredes fra hinanden. Den opvarmede væske vil først stige i volumen og derefter begynde at fordampe. Hvad vil der ske med faste stoffer? Ikke alle kan ændre deres aggregeringstilstand.
Definition af termisk ekspansion
Termisk udvidelse er en ændring i kroppens størrelse og form med en ændring i temperatur. Matematisk er det muligt at beregne den volumetriske ekspansionskoefficient, som gør det muligt at forudsige opførsel af gasser og væsker under skiftende ydre forhold. For at få de samme resultater for faste stoffer skal der tages hensyn til den lineære ekspansionskoefficient. Fysikere har udpeget et helt afsnit til denne form for forskning og kaldt det dilatometri.
Ingeniører og arkitekter har brug for viden om forskellige materialers adfærd under påvirkning af høje og lave temperaturer til udformning af bygninger, udlægning af veje og rør.
Gasudvidelse
Termiskudvidelsen af gasser ledsages af udvidelsen af deres volumen i rummet. Dette blev bemærket af naturfilosoffer i oldtiden, men kun moderne fysikere formåede at bygge matematiske beregninger.
Først og fremmest blev videnskabsmænd interesserede i luftens udvidelse, da det forekom dem som en mulig opgave. De gik så ivrigt i gang, at de fik ret modstridende resultater. Naturligvis var det videnskabelige samfund ikke tilfredse med et sådant resultat. Nøjagtigheden af målingen afhang af hvilket termometer der blev brugt, trykket og en række andre forhold. Nogle fysikere er endda kommet til den konklusion, at udvidelsen af gasser ikke afhænger af temperaturændringer. Eller er denne afhængighed ufuldstændig…
Værker af D alton og Gay-Lussac
Fysikere ville fortsætte med at skændes, indtil de er hæse eller ville have opgivet målinger, hvis ikke for John D alton. Han og en anden fysiker, Gay-Lussac, var i stand til uafhængigt at opnå de samme måleresultater på samme tid.
Lussac forsøgte at finde årsagen til så mange forskellige resultater og bemærkede, at nogle af enhederne på tidspunktet for eksperimentet havde vand. Naturligvis blev det i opvarmningsprocessen til damp og ændrede mængden og sammensætningen af de undersøgte gasser. Derfor var den første ting, videnskabsmanden gjorde, at tørre alle de instrumenter, han brugte til at udføre eksperimentet, grundigt og udelukke selv den mindste procentdel af fugt fra den gas, der blev undersøgt. Efter alle disse manipulationer viste de første par eksperimenter sig at være mere pålidelige.
D alton behandlede dette problem længeresin kollega og offentliggjorde resultaterne helt i begyndelsen af det 19. århundrede. Han tørrede luften med svovlsyredamp og opvarmede den derefter. Efter en række eksperimenter kom John til den konklusion, at alle gasser og damp udvider sig med en faktor på 0,376. Lussac fik tallet 0,375. Dette blev det officielle resultat af undersøgelsen.
Elasticitet af vanddamp
Den termiske udvidelse af gasser afhænger af deres elasticitet, det vil sige evnen til at vende tilbage til deres oprindelige volumen. Ziegler var den første til at undersøge dette spørgsmål i midten af det attende århundrede. Men resultaterne af hans eksperimenter varierede for meget. Mere pålidelige tal blev opnået af James Watt, som brugte en kedel til høje temperaturer og et barometer til lave temperaturer.
I slutningen af det 18. århundrede forsøgte den franske fysiker Prony at udlede en enkelt formel, der ville beskrive gassers elasticitet, men den viste sig at være for besværlig og svær at bruge. D alton besluttede at teste alle beregningerne empirisk ved at bruge et sifonbarometer til dette. På trods af at temperaturen ikke var den samme i alle forsøg, var resultaterne meget nøjagtige. Så han udgav dem som en tabel i sin fysiklærebog.
Fordampningsteori
Den termiske udvidelse af gasser (som en fysisk teori) har undergået forskellige ændringer. Forskere forsøgte at komme til bunds i de processer, hvorved damp produceres. Også her udmærkede den kendte fysiker D alton sig. Han antog, at ethvert rum er mættet med gasdamp, uanset om det er til stede i dette reservoir(rum) enhver anden gas eller damp. Derfor kan det konkluderes, at væsken ikke vil fordampe blot ved at komme i kontakt med atmosfærisk luft.
Trykket fra luftsøjlen på væskens overflade øger rummet mellem atomerne, river dem fra hinanden og fordamper, det vil sige, at det bidrager til dannelsen af damp. Men tyngdekraften fortsætter med at virke på dampmolekylerne, så videnskabsmænd har beregnet, at atmosfærisk tryk ikke har nogen effekt på fordampning af væsker.
Ekspansion af væsker
Den termiske udvidelse af væsker blev undersøgt parallelt med udvidelsen af gasser. De samme videnskabsmænd var engageret i videnskabelig forskning. For at gøre dette brugte de termometre, aerometre, kommunikerende fartøjer og andre instrumenter.
Alle eksperimenter sammen og hver for sig tilbageviste D altons teori om, at homogene væsker udvider sig i forhold til kvadratet på den temperatur, som de opvarmes til. Selvfølgelig, jo højere temperatur, jo større volumen af væsken, men der var ingen direkte sammenhæng mellem den. Ja, og ekspansionshastigheden for alle væsker var forskellig.
Den termiske udvidelse af vand starter for eksempel ved nul grader celsius og fortsætter, mens temperaturen falder. Tidligere var sådanne resultater af eksperimenter forbundet med, at det ikke er vandet selv, der udvider sig, men beholderen, hvori det er placeret, indsnævrer. Men noget tid senere kom fysikeren Deluca alligevel til den konklusion, at årsagen skulle søges i selve væsken. Han besluttede at finde temperaturen af dens største tæthed. Det lykkedes ham dog ikke på grund af omsorgssvigtnogle detaljer. Rumforth, som studerede dette fænomen, fandt ud af, at den maksimale tæthed af vand observeres i området fra 4 til 5 grader Celsius.
Termisk udvidelse af legemer
I faste stoffer er den vigtigste ekspansionsmekanisme en ændring i amplituden af vibrationer i krystalgitteret. Med enkle ord begynder atomerne, der udgør materialet og er stift forbundet med hinanden, at "skælve".
Loven om termisk ekspansion af legemer er formuleret som følger: ethvert legeme med en lineær størrelse L i processen med opvarmning med dT (delta T er forskellen mellem starttemperaturen og sluttemperaturen), udvides med dL (delta L er den afledte af koefficienten for lineær termisk udvidelse af objektlængde og temperaturforskel). Dette er den enkleste version af denne lov, som som standard tager højde for, at kroppen udvider sig i alle retninger på én gang. Men til praktisk arbejde bruges meget mere besværlige beregninger, da materialer i virkeligheden opfører sig anderledes end dem, der er modelleret af fysikere og matematikere.
Termisk udvidelse af skinnen
Fysikingeniører er altid med til at lægge jernbanesporet, da de præcist kan beregne, hvor stor afstand der skal være mellem skinnesamlingerne, så skinnerne ikke deformeres ved opvarmning eller afkøling.
Som nævnt ovenfor er termisk lineær ekspansion anvendelig for alle faste stoffer. Og skinnen er ingen undtagelse. Men der er én detalje. Lineær ændringopstår frit, hvis kroppen ikke påvirkes af friktionskraften. Skinnerne er stift fastgjort til svellerne og svejset til tilstødende skinner, så loven, der beskriver længdeændringen, tager højde for overvindelse af forhindringer i form af lineære modstande og stødmodstande.
Hvis en skinne ikke kan ændre sin længde, så stiger den termiske spænding i den ved en temperaturændring, som både kan strække og komprimere den. Dette fænomen er beskrevet af Hooke's Law.
