Tepelná expanze pevných látek a kapalin

Je známo, že za působení tepla částečky urychlují chaotický pohyb. Pokud ohříváte plyn, molekuly, které ho tvoří, prostě odlétají. Zahřátá kapalina se nejprve zvýší v objemu a poté se začne odpařovat. A co se stane s pevnými těly? Ne každý z nich může změnit svůj souhrnný stav.

Tepelná expanze: definice

Tepelná roztažnost je změna velikosti a tvaru těles při změně teploty. Matematicky lze vypočítat koeficient roztažení objemu, který umožňuje předpovědět chování plynů a kapalin při měnících se vnějších podmínkách. Pro získání stejných výsledků pro tuhé látky je třeba vzít v úvahu koeficient lineární expanze. Fyzici identifikovali celou sekci pro tento druh výzkumu a nazvali ji dilatometrií.

Inženýři a architekti potřebují znalosti o chování různých materiálů pod vlivem vysokých a nízkých teplot pro návrh budov, komunikací a potrubí.

Rozšíření plynů

Tepelná expanze plynů je doprovázena rozšířením jejich objemu v prostoru. Přírodní filozofové si to všimli ve starověku, ale pouze moderní fyzici se podařilo postavit matematické výpočty.

V první řadě se vědci zajímali o expanzi vzduchu, protože se jim zdálo, že je to proveditelný úkol. Začali se tak horlivě zabývat podnikáním, že mají dost protichůdné výsledky. Samozřejmě, vědecká komunita takový výsledek nesplnila. Přesnost měření závisí na použitém teploměru, tlaku a mnoha dalších podmínkách. Někteří fyzici dokonce dospěli k závěru, že expanze plynů nezávisí na teplotních změnách. Nebo tato závislost není úplná ...

Díla Daltona a Gay-Lussac

Fyzici by pokračovali v tvrzení, až budou chraplaví, nebo by zanedbali měření, pokud ne John Dalton. On a další fyzik, Gay-Lussac, současně nezávisle na sobě, mohli získat stejné výsledky měření.

Lussac se snažil najít důvod pro tolik různých výsledků a všiml si, že v některých zařízeních v době experimentu byla voda. Přirozeně se během procesu zahřívání změnilo na páru a změnilo množství a složení zkoumaných plynů. První věc, kterou vědec provedl, byl proto pečlivě vyschnout všechny nástroje, které prováděl při experimentu, a odstranit i minimální procento vlhkosti z studovaného plynu. Po všech těchto manipulacích se ukázalo, že prvních pár experimentů je spolehlivější.

Dalton se touto otázkou zabýval déle než jeho kolega a publikoval výsledky i na samém začátku 19. století. Sušil vzduch párami kyseliny sírové a pak ji zahřál. Po sérii experimentů John dospěl k závěru, že všechny plyny a výpary se rozšiřují o koeficient 0,376. Lussacovo číslo bylo 0,375. To byl oficiální výsledek studie.

Elasticita vodní páry

Tepelná expanze plynů závisí na jejich pružnosti, tj. Na schopnost návratu k původnímu objemu. Prvním studiem tohoto problému byl Ziegler v polovině osmnáctého století. Ale jeho experimenty byly příliš odlišné. Získala se spolehlivější čísla James Watt, kteří používali kotel na vysoké teploty a barometr pro nízké teploty.

Na konci francouzského fyzika XVIII století Prony pokusil odvodit jeden vzorec, který by se dala popsat elasticitu plynu, ale ukázalo se, lichý těžkopádný a obtížně použít. Dalton se rozhodl experimentálně prověřit všechny výpočty pomocí sifonového barometru. Přestože teplota nebyla stejná ve všech experimentech, výsledky byly velmi přesné. Proto je publikoval ve formě tabulky ve své učebnici fyziky.

Teorie odpařování

Tepelná expanze plynů (jako fyzikální teorie) prošla různými změnami. Vědci se pokoušeli dostat k podstatě procesů, při kterých se vyrábí pára. Zde opět rozlišujeme již známého fyzik Daltona. Předpokládal, že prostor je nasycen plynnými parami, bez ohledu na to, zda v tomto zásobníku (místnosti) existuje nějaký jiný plyn nebo pára. V důsledku toho lze konstatovat, že kapalina se nebude odpařovat a jednoduše přichází do styku s atmosférickým vzduchem.

Tlak sloupce vzduchu na povrchu kapaliny zvyšuje prostor mezi atomy, odtrhává je a odpařuje, což přispívá k tvorbě páry. Avšak gravitační síla nadále působí na molekuly par, takže vědci se domnívají, že atmosférický tlak neovlivňuje odpařování kapalin.

Rozšíření kapalin

Tepelná expanze kapalin byla zkoumána paralelně s expanzí plynů. Vědecký výzkum byl proveden stejnými vědci. Za tímto účelem používali teploměry, průtokoměry, komunikační nádoby a další přístroje.

Všechny experimenty spolu a každý odděleně odmítl Daltonovu teorii, že homogenní kapaliny se rozšiřují v poměru k čtverci teploty, při které se zahřívají. Samozřejmě, čím vyšší je teplota, tím větší je objem kapaliny, ale mezi sebou nebyl žádný přímý vztah. A rychlost expanze pro všechny kapaliny byla jiná.

Tepelná expanze vody například začíná od nuly stupňů Celsia a pokračuje s poklesem teploty. Dříve byly tyto výsledky experimentů spojeny s tím, že se voda sama nerozšíří, ale kapacita, ve které se nachází, se zužuje. Ale někdy později fyzik Delyuk dospěl k závěru, že by se měla hledat příčina v samotné tekutině. Rozhodl se najít teplotu své největší hustoty. To však selhalo kvůli zanedbání určitých detailů. Rumfort, který studoval tento jev, zjistil, že maximální hustota vody je pozorována v rozmezí 4 až 5 stupňů Celsia.

Tepelná expanze těles

U pevných látek je hlavním mechanismem expanze změna amplitudy vibrací krystalové mříže. Jednoduše řečeno, atomy, které materiál vytvářejí a pevně drží na sobě, se začínají "třásat".

Zákon teplotní roztažnosti těles formulovány následovně: všechna těleso s lineárním rozměrem L v zahřívání na dT (delta T - rozdíl mezi počáteční teploty a konečné) rozšířeného o částku dl (delta L - je derivátem koeficientu lineární tepelné roztažnosti v délce objektu a rozdílu teplota). Jedná se o nejjednodušší verzi tohoto zákona, která ve výchozím nastavení bere v úvahu, že se tělo okamžitě rozšiřuje ve všech směrech. Pro praktickou práci se však používají mnohem těžkopádnější výpočty, protože ve skutečnosti se materiály chovají jinak než ty, které simulují fyzici a matematici.

Tepelná roztažnost kolejnice

Pro pokládání železniční trať vždy přitahovala fyziků inženýry, protože mohou přesně spočítat, kolik by měla být vzdálenost mezi spoji kolejnic k vytápění nebo chlazení cesta není deformována.

Jak již bylo uvedeno výše, tepelná lineární expanze je použitelná pro všechny pevné látky. A železnice nebyla výjimkou. Ale je tu jeden detail. Změna linearity se volně vyskytuje, jestliže tělo není ovlivněno třením. Kolejnice jsou upevněny na pražce a kolejnice jsou přivařeny k přilehlé, takže zákona, která popisuje změny délky, umožňuje překonávání překážek v podobě provozu a odolnost proti natupo.

Pokud kolejnice nemůže změnit svou délku, pak se změnou teploty zvýší tepelné namáhání v ní, což může být protaženo i stlačeno. Tento jev je popsán Hookovým zákonem.