Se sap que sota la influència de les partícules de calor acceleren el seu moviment caòtic. Si escalfeu un gas, les molècules que el formen simplement s'escamparan les unes de les altres. El líquid escalfat primer augmentarà de volum i després començarà a evaporar-se. Què passarà amb els sòlids? No tots poden canviar el seu estat d'agregació.
Definició d'expansió tèrmica
L'expansió tèrmica és un canvi en la mida i la forma dels cossos amb un canvi de temperatura. Matemàticament, és possible calcular el coeficient d'expansió volumètrica, que permet predir el comportament de gasos i líquids en condicions externes canviants. Per obtenir els mateixos resultats per als sòlids, cal tenir en compte el coeficient d'expansió lineal. Els físics han seleccionat una secció sencera per a aquest tipus d'investigació i l'han anomenat dilatometria.
Els enginyers i arquitectes necessiten coneixements sobre el comportament dels diferents materials sota la influència de les altes i baixes temperatures per al disseny d'edificis, la col·locació de carreteres i canonades.
Expansió de gas
Tèrmical'expansió dels gasos va acompanyada de l'expansió del seu volum a l'espai. Això ho van notar els filòsofs naturals a l'antiguitat, però només els físics moderns van aconseguir fer càlculs matemàtics.
En primer lloc, els científics es van interessar per l'expansió de l'aire, ja que els semblava una tasca factible. Es van posar al negoci amb tanta zel que van obtenir resultats força contradictoris. Naturalment, la comunitat científica no estava satisfeta amb aquest resultat. La precisió de la mesura depenia del termòmetre utilitzat, la pressió i una varietat d' altres condicions. Alguns físics fins i tot han arribat a la conclusió que l'expansió dels gasos no depèn dels canvis de temperatura. O aquesta addicció està incompleta…
Obres de D alton i Gay-Lussac
Els físics continuarien discutint fins que estiguin roncs o haurien abandonat les mesures si no fos per John D alton. Ell i un altre físic, Gay-Lussac, van poder obtenir de manera independent els mateixos resultats de la mesura al mateix temps.
Lussac va intentar trobar el motiu de tants resultats diferents i es va adonar que alguns dels dispositius en el moment de l'experiment tenien aigua. Naturalment, en el procés d'escalfament, es va convertir en vapor i va canviar la quantitat i la composició dels gasos estudiats. Per tant, el primer que va fer el científic va ser assecar a fons tots els instruments que va utilitzar per dur a terme l'experiment i excloure fins i tot el percentatge mínim d'humitat del gas en estudi. Després de totes aquestes manipulacions, els primers experiments van resultar ser més fiables.
D alton va tractar aquest problema durant més tempsel seu col·lega i va publicar els resultats a principis del segle XIX. Va assecar l'aire amb vapor d'àcid sulfúric i després el va escalfar. Després d'una sèrie d'experiments, John va arribar a la conclusió que tots els gasos i el vapor s'expandeixen en un factor de 0,376. Lussac va obtenir el nombre 0,375. Aquest es va convertir en el resultat oficial de l'estudi.
Elasticitat del vapor d'aigua
L'expansió tèrmica dels gasos depèn de la seva elasticitat, és a dir, de la capacitat de tornar al seu volum original. Ziegler va ser el primer a investigar aquesta qüestió a mitjans del segle XVIII. Però els resultats dels seus experiments van variar massa. James Watt va obtenir xifres més fiables, que va utilitzar un calder per a temperatures altes i un baròmetre per a temperatures baixes.
A finals del segle XVIII, el físic francès Prony va intentar derivar una fórmula única que descrigués l'elasticitat dels gasos, però va resultar massa feixuc i difícil d'utilitzar. D alton va decidir provar tots els càlculs empíricament, utilitzant un baròmetre de sifó per a això. Malgrat que la temperatura no era la mateixa en tots els experiments, els resultats van ser molt precisos. Així que els va publicar com a taula al seu llibre de text de física.
Teoria de l'evaporació
L'expansió tèrmica dels gasos (com a teoria física) ha sofert diversos canvis. Els científics van intentar arribar al fons dels processos mitjançant els quals es produeix vapor. Aquí de nou, el conegut físic D alton es va distingir. Va plantejar la hipòtesi que qualsevol espai està saturat de vapor de gas, independentment de si està present en aquest dipòsit(habitació) qualsevol altre gas o vapor. Per tant, es pot concloure que el líquid no s'evaporarà simplement entrant en contacte amb l'aire atmosfèric.
La pressió de la columna d'aire a la superfície del líquid augmenta l'espai entre els àtoms, trencant-los i evaporant-se, és a dir, contribueix a la formació de vapor. Però la gravetat continua actuant sobre les molècules de vapor, de manera que els científics van calcular que la pressió atmosfèrica no té cap efecte sobre l'evaporació dels líquids.
Expansió de fluids
L'expansió tèrmica dels líquids es va investigar paral·lelament a l'expansió dels gasos. Els mateixos científics es dedicaven a la investigació científica. Per fer-ho, van utilitzar termòmetres, aeròmetres, vaixells comunicants i altres instruments.
Tots els experiments junts i cadascun per separat van refutar la teoria de D alton que els líquids homogenis s'expandeixen en proporció al quadrat de la temperatura a la qual s'escalfen. Per descomptat, com més alta és la temperatura, més gran és el volum del líquid, però no hi havia cap relació directa entre aquest. Sí, i la velocitat d'expansió de tots els líquids era diferent.
L'expansió tèrmica de l'aigua, per exemple, comença a zero graus centígrads i continua a mesura que baixa la temperatura. Anteriorment, aquests resultats dels experiments estaven associats al fet que no és l'aigua en si mateixa la que s'expandeix, sinó que el recipient on es troba s'estreny. Però un temps després, el físic Deluca, tanmateix, va arribar a la conclusió que la causa s'havia de buscar en el propi líquid. Va decidir trobar la temperatura de la seva major densitat. No obstant això, no ho va aconseguir per negligènciaalguns detalls. Rumforth, que va estudiar aquest fenomen, va trobar que la densitat màxima de l'aigua s'observa en el rang de 4 a 5 graus centígrads.
Expansió tèrmica dels cossos
En els sòlids, el principal mecanisme d'expansió és un canvi en l'amplitud de les vibracions de la xarxa cristal·lina. En paraules senzilles, els àtoms que formen el material i estan rígidament vinculats entre si comencen a "tremolar".
La llei de l'expansió tèrmica dels cossos es formula de la següent manera: qualsevol cos amb una mida L lineal en procés d'escalfament per dT (delta T és la diferència entre la temperatura inicial i la temperatura final), s'expandeix en dL (delta L és la derivada del coeficient d'expansió tèrmica lineal per la longitud de l'objecte i la diferència de temperatura). Aquesta és la versió més senzilla d'aquesta llei, que per defecte té en compte que el cos s'expandeix en totes direccions alhora. Però per al treball pràctic, s'utilitzen càlculs molt més feixucs, ja que en realitat els materials es comporten de manera diferent als modelats per físics i matemàtics.
Expansió tèrmica del carril
Els enginyers físics participen sempre en la col·locació de la via del ferrocarril, ja que poden calcular amb precisió quanta distància hauria d'haver entre les juntes del carril perquè les vies no es deformin quan s'escalfen o es refredin.
Com s'ha esmentat anteriorment, l'expansió tèrmica lineal és aplicable a tots els sòlids. I el ferrocarril no és una excepció. Però hi ha un detall. Canvi lineales produeix lliurement si el cos no es veu afectat per la força de fricció. Els rails estan subjectats rígidament a les travesses i soldats als rails adjacents, de manera que la llei que descriu el canvi de longitud té en compte la superació d'obstacles en forma de resistències lineals i a tope.
Si un rail no pot canviar la seva longitud, aleshores amb un canvi de temperatura augmenta l'estrès tèrmic, que pot estirar-lo i comprimir-lo. Aquest fenomen està descrit per la llei de Hooke.
