Poznato je da pod uticajem toplote čestice ubrzavaju svoje haotično kretanje. Ako zagrijete plin, tada će se molekuli koji ga čine jednostavno raspršiti jedan od drugog. Zagrijana tekućina će prvo povećati volumen, a zatim početi isparavati. Šta će se dogoditi sa čvrstim materijama? Ne može svaki od njih promijeniti svoje stanje agregacije.
Definicija termičke ekspanzije
Toplotna ekspanzija je promjena veličine i oblika tijela s promjenom temperature. Matematički je moguće izračunati koeficijent zapreminskog širenja, koji omogućava predviđanje ponašanja gasova i tečnosti u promenljivim spoljašnjim uslovima. Da bi se dobili isti rezultati za čvrsta tijela, mora se uzeti u obzir koeficijent linearne ekspanzije. Fizičari su za ovu vrstu istraživanja izdvojili cijeli dio i nazvali ga dilatometrija.
Inženjerima i arhitektama su potrebna znanja o ponašanju različitih materijala pod uticajem visokih i niskih temperatura za projektovanje zgrada, polaganje puteva i cevi.
Proširenje plina
Thermalekspanziju gasova prati i širenje njihove zapremine u prostoru. To su primijetili prirodni filozofi u antičko doba, ali samo moderni fizičari uspjeli su izgraditi matematičke proračune.
Pre svega, naučnici su se zainteresovali za širenje vazduha, jer im se to činilo izvodljivim zadatkom. Toliko su revnosno pristupili poslu da su dobili prilično kontradiktorne rezultate. Naravno, naučna zajednica nije bila zadovoljna takvim ishodom. Preciznost mjerenja ovisila je o tome koji je termometar korišten, tlaku i nizu drugih uslova. 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 nastavili da se svađaju sve dok ne promukli ili bi odustali od mjerenja da nije John D alton. On i drugi fizičar, Gay-Lussac, bili su u mogućnosti da nezavisno dobiju iste rezultate mjerenja u isto vrijeme.
Lussac je pokušao pronaći razlog za toliko različitih rezultata i primijetio je da su neki od uređaja 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 naučnik uradio bilo da je temeljito osušio sve instrumente koje je koristio za izvođenje eksperimenta i da isključi čak i minimalni postotak vlage iz plina koji se proučava. Nakon svih ovih manipulacija, prvih nekoliko eksperimenata pokazalo se pouzdanijim.
D alton se duže bavio ovim pitanjemsvog kolegu i rezultate objavio na samom početku 19. veka. 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. Ovo je postao službeni rezultat studije.
Elastičnost vodene pare
Termičko širenje gasova zavisi od njihove elastičnosti, odnosno sposobnosti da se vrate u prvobitni volumen. Ziegler je bio prvi koji je istraživao ovo pitanje sredinom osamnaestog veka. 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. veka, francuski fizičar Proni je pokušao da izvede jednu formulu koja bi opisala elastičnost gasova, ali se pokazalo da je previše glomazna i teška za upotrebu. D alton je odlučio testirati sve proračune empirijski, koristeći sifonski barometar za to. Unatoč činjenici da temperatura nije bila ista u svim eksperimentima, rezultati su bili vrlo precizni. Pa ih je objavio kao tabelu u svom udžbeniku fizike.
Teorija isparavanja
Termičko širenje gasova (kao fizička teorija) pretrpelo je razne promene. Naučnici su pokušali da dođu do dna procesa u kojima nastaje para. I tu se ponovo istakao poznati fizičar D alton. On je pretpostavio da je svaki prostor zasićen gasnom parom, bez obzira da li se ona nalazi u ovom rezervoaru.(soba) bilo koji drugi plin ili para. Stoga se može zaključiti da tečnost neće ispariti jednostavnim dolaskom u kontakt sa atmosferskim vazduhom.
Pritisak vazdušnog stuba na površinu tečnosti povećava prostor između atoma, raskida ih i isparava, odnosno doprinosi stvaranju pare. Ali gravitacija nastavlja da deluje na molekule pare, pa su naučnici izračunali da atmosferski pritisak nema uticaja na isparavanje tečnosti.
Proširenje tečnosti
Terminsko širenje tečnosti je istraživano paralelno sa širenjem gasova. Isti naučnici su se bavili naučnim istraživanjima. Da bi to učinili, koristili su termometre, aerometre, komunikacijske posude i druge instrumente.
Svi eksperimenti zajedno i svaki zasebno opovrgavali su D altonovu teoriju da se homogene tekućine šire proporcionalno kvadratu temperature na koju su zagrijane. Naravno, što je temperatura viša, to je veći volumen tečnosti, ali nije bilo direktne veze između toga. Da, i brzina ekspanzije svih tečnosti bila je različita.
Terminsko širenje vode, na primjer, počinje na nula stepeni 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. Ali nešto kasnije, fizičar Deluca je ipak došao do zaključka da uzrok treba tražiti u samoj tečnosti. Odlučio je da pronađe temperaturu njegove najveće gustine. Međutim, nije uspio zbog zanemarivanjaneki detalji. Rumforth, koji je proučavao ovaj fenomen, otkrio je da se maksimalna gustina vode opaža u rasponu od 4 do 5 stepeni Celzijusa.
Termičko širenje tijela
U čvrstim tijelima, glavni mehanizam ekspanzije je promjena amplitude vibracija kristalne rešetke. Jednostavnim riječima, atomi koji čine materijal i koji su čvrsto povezani jedni s drugima počinju da "drhte".
Zakon toplotnog širenja tela je formulisan na sledeći način: svako telo linearne veličine L u procesu zagrevanja 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 dužini objekta i temperaturnoj razlici). Ovo je najjednostavnija verzija ovog zakona, koja po defaultu uzima u obzir da se tijelo širi u svim smjerovima odjednom. Ali za praktičan rad se koriste mnogo glomazniji proračuni, jer se u stvarnosti materijali ponašaju drugačije od onih koje su modelirali fizičari i matematičari.
Termičko širenje šine
Inžinjeri fizike su uvijek uključeni u polaganje željezničke pruge, jer mogu precizno izračunati koliki razmak treba biti između šinskih spojeva kako se kolosijeci ne bi deformirali kada se zagriju ili ohlade..
Kao što je gore spomenuto, termička linearna ekspanzija je primjenjiva na sve čvrste tvari. I pruga nije izuzetak. Ali postoji jedan detalj. Linearna promjenaslobodno se javlja ako na tijelo ne djeluje sila trenja. Šine su čvrsto pričvršćene za pragove i zavarene za susjedne šine, pa zakon koji opisuje promjenu dužine uzima u obzir savladavanje prepreka u vidu linearnih i sučeonih otpora.
Ako šina ne može promijeniti svoju dužinu, tada se s promjenom temperature u njoj povećava termički stres, koji je može rastegnuti i sabijati. Ovaj fenomen je opisan Hookeovim zakonom.
