Dit is bekend dat onder die invloed van hitte deeltjies hul chaotiese beweging versnel. As jy 'n gas verhit, dan sal die molekules waaruit dit bestaan eenvoudig van mekaar uitstrooi. Die verhitte vloeistof sal eers in volume toeneem, en dan begin verdamp. Wat sal met vaste stowwe gebeur? Nie elkeen van hulle kan sy toestand van samevoeging verander nie.
Termiese uitbreidingsdefinisie
Termiese uitsetting is 'n verandering in die grootte en vorm van liggame met 'n verandering in temperatuur. Wiskundig is dit moontlik om die volumetriese uitsettingskoëffisiënt te bereken, wat dit moontlik maak om die gedrag van gasse en vloeistowwe in veranderende eksterne toestande te voorspel. Om dieselfde resultate vir vaste stowwe te kry, moet die koëffisiënt van lineêre uitsetting in ag geneem word. Fisici het 'n hele afdeling vir hierdie soort navorsing uitgesonder en dit dilatometrie genoem.
Ingenieurs en argitekte benodig kennis oor die gedrag van verskillende materiale onder die invloed van hoë en lae temperature vir die ontwerp van geboue, die lê van paaie en pype.
Gasuitbreiding
Termiesedie uitsetting van gasse gaan gepaard met die uitbreiding van hul volume in die ruimte. Dit is in antieke tye deur natuurfilosowe opgemerk, maar net moderne fisici het daarin geslaag om wiskundige berekeninge te bou.
In die eerste plek het wetenskaplikes belanggestel in die uitbreiding van lug, aangesien dit vir hulle 'n uitvoerbare taak gelyk het. Hulle het so ywerig begin sake doen dat hulle taamlik teenstrydige resultate gekry het. Natuurlik was die wetenskaplike gemeenskap nie tevrede met so 'n uitkoms nie. Die akkuraatheid van die meting het afgehang van watter termometer gebruik is, die druk en 'n verskeidenheid ander toestande. Sommige fisici het selfs tot die gevolgtrekking gekom dat die uitsetting van gasse nie afhang van veranderinge in temperatuur nie. Of is hierdie verslawing onvolledig…
Werke deur D alton en Gay-Lussac
Fisici sou voortgaan om te argumenteer totdat hulle hees is of sou metings laat vaar het as nie vir John D alton nie. Hy en 'n ander fisikus, Gay-Lussac, kon op dieselfde tyd onafhanklik dieselfde metingsresultate verkry.
Lussac het probeer om die rede vir soveel verskillende resultate te vind en het opgemerk dat sommige van die toestelle ten tyde van die eksperiment water gehad het. Natuurlik, in die proses van verhitting, het dit in stoom verander en die hoeveelheid en samestelling van die bestudeerde gasse verander. Daarom was die eerste ding wat die wetenskaplike gedoen het om al die instrumente wat hy gebruik het om die eksperiment uit te voer, deeglik te droog, en om selfs die minimum persentasie vog uit die gas wat bestudeer word, uit te sluit. Na al hierdie manipulasies het die eerste paar eksperimente meer betroubaar geblyk te wees.
D alton het langer met hierdie kwessie gehandelsy kollega en het die resultate heel aan die begin van die 19de eeu gepubliseer. Hy het die lug met swaelsuurdamp gedroog en dit dan verhit. Na 'n reeks eksperimente het John tot die gevolgtrekking gekom dat alle gasse en stoom met 'n faktor van 0,376 uitbrei. Lussac het die getal 0,375 gekry. Dit het die amptelike resultaat van die studie geword.
Elastisiteit van waterdamp
Die termiese uitsetting van gasse hang af van hul elastisiteit, dit wil sê die vermoë om terug te keer na hul oorspronklike volume. Ziegler was die eerste wat hierdie kwessie in die middel van die agtiende eeu ondersoek het. Maar die resultate van sy eksperimente het te veel verskil. Meer betroubare syfers is verkry deur James Watt, wat 'n ketel vir hoë temperature en 'n barometer vir lae temperature gebruik het.
Aan die einde van die 18de eeu het die Franse fisikus Prony probeer om 'n enkele formule af te lei wat die elastisiteit van gasse sou beskryf, maar dit het geblyk te omslagtig en moeilik om te gebruik. D alton het besluit om al die berekeninge empiries te toets deur 'n sifonbarometer hiervoor te gebruik. Ten spyte van die feit dat die temperatuur nie in alle eksperimente dieselfde was nie, was die resultate baie akkuraat. Hy het hulle dus as 'n tabel in sy fisika-handboek gepubliseer.
Verdampingsteorie
Die termiese uitsetting van gasse (as 'n fisiese teorie) het verskeie veranderinge ondergaan. Wetenskaplikes het probeer om die prosesse waardeur stoom geproduseer word na die onderkant te kom. Ook hier het die bekende fisikus D alton homself onderskei. Hy het veronderstel dat enige ruimte versadig is met gasdamp, ongeag of dit in hierdie reservoir teenwoordig is.(kamer) enige ander gas of stoom. Daarom kan die gevolgtrekking gemaak word dat die vloeistof nie sal verdamp bloot deur met atmosferiese lug in aanraking te kom nie.
Die druk van die lugkolom op die oppervlak van die vloeistof vergroot die spasie tussen die atome, skeur hulle uitmekaar en verdamp, dit wil sê, dit dra by tot die vorming van stoom. Maar swaartekrag werk steeds op die dampmolekules in, daarom het wetenskaplikes bereken dat atmosferiese druk geen effek op die verdamping van vloeistowwe het nie.
Uitbreiding van vloeistowwe
Die termiese uitsetting van vloeistowwe is parallel met die uitsetting van gasse ondersoek. Dieselfde wetenskaplikes was besig met wetenskaplike navorsing. Om dit te doen het hulle termometers, aerometers, kommunikeerbare vaartuie en ander instrumente gebruik.
Alle eksperimente saam en elkeen afsonderlik het D alton se teorie dat homogene vloeistowwe uitsit in verhouding tot die kwadraat van die temperatuur waartoe hulle verhit word, weerlê. Natuurlik, hoe hoër die temperatuur, hoe groter is die volume van die vloeistof, maar daar was geen direkte verband tussen dit nie. Ja, en die uitsettingtempo van alle vloeistowwe was anders.
Die termiese uitsetting van water begin byvoorbeeld by nul grade Celsius en gaan voort soos die temperatuur daal. Voorheen was sulke resultate van eksperimente geassosieer met die feit dat dit nie die water self is wat uitsit nie, maar die houer waarin dit geleë is, vernou. Maar 'n ruk later het die fisikus Deluca nietemin tot die gevolgtrekking gekom dat die oorsaak in die vloeistof self gesoek moet word. Hy het besluit om die temperatuur van sy grootste digtheid te vind. Hy het egter weens verwaarlosing nie daarin geslaag niesommige besonderhede. Rumforth, wat hierdie verskynsel bestudeer het, het gevind dat die maksimum digtheid van water in die reeks van 4 tot 5 grade Celsius waargeneem word.
Termiese uitbreiding van liggame
In vaste stowwe is die hoofmeganisme van uitsetting 'n verandering in die amplitude van vibrasies van die kristalrooster. In eenvoudige woorde, die atome waaruit die materiaal bestaan en streng aan mekaar gekoppel is, begin “bewe”.
Die wet van termiese uitsetting van liggame word soos volg geformuleer: enige liggaam met 'n lineêre grootte L in die proses van verhitting deur dT (delta T is die verskil tussen die aanvanklike temperatuur en die finale temperatuur), brei uit met dL (delta L is die afgeleide van die koëffisiënt van lineêre termiese uitsetting deur voorwerplengte en temperatuurverskil). Dit is die eenvoudigste weergawe van hierdie wet, wat by verstek in ag neem dat die liggaam gelyktydig in alle rigtings uitbrei. Maar vir praktiese werk word baie meer omslagtig berekeninge gebruik, aangesien materiale in werklikheid anders optree as dié wat deur fisici en wiskundiges gemodelleer is.
Termiese uitbreiding van die spoor
Fisiese ingenieurs is altyd betrokke by die aanlê van die spoorlyn, aangesien hulle akkuraat kan bereken hoeveel afstand tussen die spoorverbindings moet wees sodat die spore nie vervorm wanneer dit verhit of afgekoel word nie.
Soos hierbo genoem, is termiese lineêre uitsetting van toepassing op alle vaste stowwe. En die spoor is geen uitsondering nie. Maar daar is een detail. Lineêre veranderingvrylik plaasvind as die liggaam nie deur die wrywingskrag geraak word nie. Die relings is stewig aan die dwarslêers vasgemaak en aan aangrensende relings vasgesweis, sodat die wet wat die verandering in lengte beskryf, die oorkoming van hindernisse in die vorm van lineêre en kolfweerstande in ag neem.
As 'n spoor nie sy lengte kan verander nie, dan met 'n verandering in temperatuur, verhoog termiese spanning daarin, wat dit beide kan rek en saamdruk. Hierdie verskynsel word beskryf deur Hooke's Law.
