Isı parçacıklarının etkisi altında kaotik hareketlerini hızlandırdıkları bilinmektedir. Bir gazı ısıtırsanız, onu oluşturan moleküller basitçe birbirinden dağılır. Isıtılan sıvı önce hacim olarak artacak ve daha sonra buharlaşmaya başlayacaktır. Katılara ne olacak? Her biri kendi toplama durumunu değiştiremez.
Termal genişleme tanımı
Termal genleşme, sıcaklıktaki bir değişiklikle cisimlerin boyutunda ve şeklinde bir değişikliktir. Matematiksel olarak, gazların ve sıvıların değişen dış koşullarda davranışını tahmin etmeyi mümkün kılan hacimsel genleşme katsayısını hesaplamak mümkündür. Katılar için aynı sonuçları elde etmek için doğrusal genleşme katsayısı dikkate alınmalıdır. Fizikçiler bu tür araştırmalar için bütün bir bölümü seçip buna dilatometri adını verdiler.
Mühendisler ve mimarlar, binaların tasarımı, yolların ve boruların döşenmesi için yüksek ve düşük sıcaklıkların etkisi altında farklı malzemelerin davranışları hakkında bilgiye ihtiyaç duyarlar.
Gaz genleşmesi
Termalgazların genişlemesine, hacimlerinin uzayda genişlemesi eşlik eder. Bu, eski zamanlarda doğa filozofları tarafından fark edildi, ancak yalnızca modern fizikçiler matematiksel hesaplamalar yapmayı başardı.
Öncelikle bilim adamları havanın genişlemesiyle ilgilenmeye başladılar çünkü bu onlara uygulanabilir bir görev gibi geldi. İşe o kadar hevesle başladılar ki, oldukça çelişkili sonuçlar elde ettiler. Doğal olarak, bilim camiası böyle bir sonuçtan memnun değildi. Ölçümün doğruluğu, hangi termometrenin kullanıldığına, basınca ve çeşitli diğer koşullara bağlıydı. Bazı fizikçiler, gazların genişlemesinin sıcaklıktaki değişikliklere bağlı olmadığı sonucuna bile varmışlardır. Yoksa bu bağımlılık eksik mi…
D alton ve Gay-Lussac'ın eserleri
Fizikçiler, John D alton olmasaydı, seslerinin kısılana kadar veya ölçümleri terk edene kadar tartışmaya devam edeceklerdi. O ve başka bir fizikçi Gay-Lussac, aynı anda aynı ölçüm sonuçlarını bağımsız olarak elde edebildiler.
Lussac bu kadar çok farklı sonucun nedenini bulmaya çalıştı ve deney sırasında bazı cihazlarda su olduğunu fark etti. Doğal olarak, ısıtma sürecinde buhara dönüştü ve incelenen gazların miktarını ve bileşimini değiştirdi. Bu nedenle, bilim adamının yaptığı ilk şey, deneyi yürütmek için kullandığı tüm aletleri iyice kurutmak ve incelenen gazdaki minimum nem yüzdesini bile hariç tutmaktı. Tüm bu manipülasyonlardan sonra, ilk birkaç deneyin daha güvenilir olduğu ortaya çıktı.
D alton bu sorunla daha uzun süre ilgilendimeslektaşı ve sonuçları 19. yüzyılın başlarında yayınladı. Havayı sülfürik asit buharıyla kuruttu ve sonra ısıttı. Bir dizi deneyden sonra John, tüm gazların ve buharın 0,376 faktörü ile genişlediği sonucuna vardı. Lussac 0,375 sayısını aldı. Bu, çalışmanın resmi sonucu oldu.
Su buharının esnekliği
Gazların termal genleşmesi, esnekliklerine, yani orijinal hacimlerine geri dönme yeteneklerine bağlıdır. Bu konuyu on sekizinci yüzyılın ortalarında ilk araştıran Ziegler oldu. Ancak deneylerinin sonuçları çok fazla değişiyordu. Daha güvenilir rakamlar, yüksek sıcaklıklar için bir kazan ve düşük sıcaklıklar için bir barometre kullanan James Watt tarafından elde edildi.
18. yüzyılın sonunda, Fransız fizikçi Prony, gazların esnekliğini tanımlayacak tek bir formül türetmeye çalıştı, ancak bunun çok hantal ve kullanımı zor olduğu ortaya çıktı. D alton, bunun için bir sifon barometresi kullanarak tüm hesaplamaları ampirik olarak test etmeye karar verdi. Tüm deneylerde sıcaklığın aynı olmamasına rağmen, sonuçlar çok doğruydu. Bu yüzden onları fizik ders kitabında bir tablo olarak yayınladı.
Buharlaşma teorisi
Gazların termal genleşmesi (fiziksel bir teori olarak) çeşitli değişikliklere uğradı. Bilim adamları, buharın üretildiği süreçlerin temeline inmeye çalıştılar. Burada yine ünlü fizikçi D alton kendini ayırt etti. Bu rezervuarda bulunup bulunmadığına bakılmaksızın, herhangi bir boşluğun gaz buharı ile doymuş olduğunu varsaymıştır.(oda) başka herhangi bir gaz veya buhar. Bu nedenle, sıvının sadece atmosferik hava ile temas ederek buharlaşmadığı sonucuna varılabilir.
Hava kolonunun sıvının yüzeyindeki basıncı atomlar arasındaki boşluğu artırarak onları parçalayıp buharlaştırır, yani buhar oluşumuna katkıda bulunur. Ancak yerçekimi buhar molekülleri üzerinde hareket etmeye devam ediyor, bu nedenle bilim adamları atmosferik basıncın sıvıların buharlaşması üzerinde hiçbir etkisi olmadığını hesapladılar.
Akışkanların genişlemesi
Sıvıların termal genleşmesi gazların genleşmesine paralel olarak incelenmiştir. Aynı bilim adamları bilimsel araştırmalarda bulundular. Bunu yapmak için termometreler, aerometreler, iletişim kapları ve diğer araçları kullandılar.
Tüm deneyler bir arada ve her biri ayrı ayrı D alton'un homojen sıvıların ısıtıldıkları sıcaklığın karesiyle orantılı olarak genişlediği teorisini çürüttü. Tabii ki, sıcaklık ne kadar yüksek olursa, sıvının hacmi de o kadar büyük olur, ancak aralarında doğrudan bir ilişki yoktu. Evet ve tüm sıvıların genleşme hızı farklıydı.
Örneğin, suyun termal genleşmesi sıfır santigrat derecede başlar ve sıcaklık düştükçe devam eder. Daha önce, bu tür deney sonuçları, genişleyenin suyun kendisi olmadığı, ancak içinde bulunduğu kabın daraldığı gerçeğiyle ilişkilendirildi. Ancak bir süre sonra fizikçi Deluca yine de nedenin sıvının kendisinde aranması gerektiği sonucuna vardı. En yüksek yoğunluğunun sıcaklığını bulmaya karar verdi. Ancak ihmal nedeniyle başarılı olamamıştır.bazı detaylar. Bu fenomeni inceleyen Rumforth, suyun maksimum yoğunluğunun 4 ila 5 santigrat derece aralığında gözlemlendiğini buldu.
Cisimlerin termal genleşmesi
Katılarda, genişlemenin ana mekanizması kristal kafesin titreşimlerinin genliğinde bir değişikliktir. Basit bir deyişle, malzemeyi oluşturan ve birbirine sıkı sıkıya bağlı olan atomlar “titremeye” başlar.
Cisimlerin termal genleşme yasası şu şekilde formüle edilir: dT ile ısıtma sürecinde L doğrusal boyutuna sahip herhangi bir cisim (delta T, ilk sıcaklık ile son sıcaklık arasındaki farktır), dL ile genişler (delta L, nesne uzunluğu ve sıcaklık farkı ile doğrusal termal genleşme katsayısının türevidir). Bu, vücudun aynı anda her yöne genişlediğini varsayılan olarak dikkate alan bu yasanın en basit versiyonudur. Ancak pratik çalışma için çok daha hantal hesaplamalar kullanılır, çünkü gerçekte malzemeler fizikçiler ve matematikçiler tarafından modellenenlerden farklı davranır.
Rayların termal genleşmesi
Fizik mühendisleri, rayların ısıtıldığında veya soğutulduğunda deforme olmaması için ray bağlantıları arasında ne kadar mesafe olması gerektiğini doğru bir şekilde hesaplayabildikleri için her zaman demiryolu hattının döşenmesinde yer alırlar.
Yukarıda belirtildiği gibi, termal doğrusal genleşme tüm katılara uygulanabilir. Ve demiryolu bir istisna değildir. Ama bir detay var. Doğrusal değişimvücut sürtünme kuvvetinden etkilenmiyorsa serbestçe oluşur. Raylar traverslere sağlam bir şekilde tutturulur ve bitişik raylara kaynaklanır, bu nedenle uzunluk değişimini tanımlayan yasa, doğrusal ve alın dirençleri şeklinde engellerin aşılmasını dikkate alır.
Bir ray uzunluğunu değiştiremezse, o zaman sıcaklıktaki bir değişiklikle, içinde termal stres artar, bu da onu hem gerebilir hem de sıkıştırabilir. Bu fenomen Hooke Yasası ile tanımlanır.
