Het is bekend dat onder invloed van warmte deeltjes hun chaotische beweging versnellen. Als je een gas verwarmt, zullen de moleculen waaruit het bestaat gewoon uit elkaar vallen. De verwarmde vloeistof zal eerst in volume toenemen en dan beginnen te verdampen. Wat gebeurt er met vaste stoffen? Niet elk van hen kan de aggregatiestatus wijzigen.
Thermische uitzettingsdefinitie
Thermische uitzetting is een verandering in de grootte en vorm van lichamen met een verandering in temperatuur. Wiskundig is het mogelijk om de volumetrische uitzettingscoëfficiënt te berekenen, wat het mogelijk maakt om het gedrag van gassen en vloeistoffen in veranderende externe omstandigheden te voorspellen. Om dezelfde resultaten voor vaste stoffen te krijgen, moet rekening worden gehouden met de lineaire uitzettingscoëfficiënt. Natuurkundigen hebben voor dit soort onderzoek een hele sectie uitgekozen en het dilatometrie genoemd.
Ingenieurs en architecten hebben kennis nodig over het gedrag van verschillende materialen onder invloed van hoge en lage temperaturen voor het ontwerpen van gebouwen, het leggen van wegen en leidingen.
Gasexpansie
Thermischde uitzetting van gassen gaat gepaard met de uitzetting van hun volume in de ruimte. Dit werd in de oudheid opgemerkt door natuurfilosofen, maar alleen moderne natuurkundigen slaagden erin wiskundige berekeningen te maken.
Ten eerste raakten wetenschappers geïnteresseerd in de uitzetting van lucht, omdat het hun een haalbare taak leek. Ze gingen zo ijverig aan de slag dat ze nogal tegenstrijdige resultaten kregen. Natuurlijk was de wetenschappelijke gemeenschap niet tevreden met een dergelijk resultaat. De nauwkeurigheid van de meting was afhankelijk van de gebruikte thermometer, de druk en een aantal andere omstandigheden. Sommige natuurkundigen zijn zelfs tot de conclusie gekomen dat de uitzetting van gassen niet afhankelijk is van temperatuurveranderingen. Of is deze verslaving onvolledig…
Werken van D alton en Gay-Lussac
Natuurkundigen zouden doorgaan met argumenteren totdat ze hees zijn of zouden de metingen hebben opgegeven als John D alton er niet was geweest. Hij en een andere natuurkundige, Gay-Lussac, waren in staat om onafhankelijk op hetzelfde moment dezelfde meetresultaten te verkrijgen.
Lussac probeerde de reden voor zoveel verschillende resultaten te vinden en merkte op dat sommige apparaten op het moment van het experiment water hadden. Natuurlijk veranderde het tijdens het verwarmen in stoom en veranderde het de hoeveelheid en samenstelling van de bestudeerde gassen. Daarom was het eerste wat de wetenschapper deed, alle instrumenten die hij gebruikte om het experiment uit te voeren grondig drogen en zelfs het minimale percentage vocht uit het bestudeerde gas uitsluiten. Na al deze manipulaties bleken de eerste paar experimenten betrouwbaarder.
D alton heeft dit probleem langer behandeldzijn collega en publiceerde de resultaten aan het begin van de 19e eeuw. Hij droogde de lucht met zwavelzuurdamp en verwarmde deze vervolgens. Na een reeks experimenten kwam John tot de conclusie dat alle gassen en stoom uitzetten met een factor 0,376. Lussac kreeg het getal 0,375. Dit werd het officiële resultaat van het onderzoek.
Elasticiteit van waterdamp
De thermische uitzetting van gassen hangt af van hun elasticiteit, dat wil zeggen, het vermogen om terug te keren naar hun oorspronkelijke volume. Ziegler was de eerste die deze kwestie in het midden van de achttiende eeuw onderzocht. Maar de resultaten van zijn experimenten varieerden te veel. Betrouwbarere cijfers werden verkregen door James Watt, die een ketel gebruikte voor hoge temperaturen en een barometer voor lage temperaturen.
Aan het einde van de 18e eeuw probeerde de Franse natuurkundige Prony een enkele formule af te leiden die de elasticiteit van gassen zou beschrijven, maar het bleek te omslachtig en moeilijk te gebruiken. D alton besloot alle berekeningen empirisch te testen, met behulp van een sifonbarometer. Ondanks dat de temperatuur niet in alle experimenten hetzelfde was, waren de resultaten zeer nauwkeurig. Dus publiceerde hij ze als een tabel in zijn natuurkundeboek.
Verdampingstheorie
De thermische uitzetting van gassen (als fysische theorie) heeft verschillende veranderingen ondergaan. Wetenschappers probeerden de processen te doorgronden waarmee stoom wordt geproduceerd. Ook hier onderscheidde de bekende natuurkundige D alton zich. Hij veronderstelde dat elke ruimte verzadigd is met gasdamp, ongeacht of deze in dit reservoir aanwezig is(kamer) elk ander gas of stoom. Daarom kan worden geconcludeerd dat de vloeistof niet verdampt door simpelweg in contact te komen met atmosferische lucht.
De druk van de luchtkolom op het oppervlak van de vloeistof vergroot de ruimte tussen de atomen, scheurt ze uit elkaar en verdampt, dat wil zeggen, het draagt bij aan de vorming van stoom. Maar de zwaartekracht blijft werken op de dampmoleculen, dus hebben wetenschappers berekend dat atmosferische druk geen effect heeft op de verdamping van vloeistoffen.
Uitbreiding van vloeistoffen
De thermische uitzetting van vloeistoffen werd parallel aan de uitzetting van gassen onderzocht. Dezelfde wetenschappers waren bezig met wetenschappelijk onderzoek. Om dit te doen, gebruikten ze thermometers, aerometers, communicerende vaten en andere instrumenten.
Alle experimenten samen en elk afzonderlijk weerlegden D altons theorie dat homogene vloeistoffen uitzetten in verhouding tot het kwadraat van de temperatuur waarop ze worden verwarmd. Natuurlijk, hoe hoger de temperatuur, hoe groter het volume van de vloeistof, maar er was geen direct verband tussen. Ja, en de uitzettingssnelheid van alle vloeistoffen was anders.
De thermische uitzetting van water begint bijvoorbeeld bij nul graden Celsius en gaat door als de temperatuur da alt. Eerder werden dergelijke resultaten van experimenten geassocieerd met het feit dat niet het water zelf uitzet, maar de container waarin het zich bevindt, smaller wordt. Maar enige tijd later kwam de natuurkundige Deluca toch tot de conclusie dat de oorzaak in de vloeistof zelf moest worden gezocht. Hij besloot de temperatuur met de grootste dichtheid te vinden. Door verwaarlozing is het hem echter niet geluktenkele details. Rumforth, die dit fenomeen bestudeerde, ontdekte dat de maximale dichtheid van water wordt waargenomen in het bereik van 4 tot 5 graden Celsius.
Thermische uitzetting van lichamen
In vaste stoffen is het belangrijkste expansiemechanisme een verandering in de amplitude van trillingen van het kristalrooster. In eenvoudige bewoordingen beginnen de atomen waaruit het materiaal bestaat en die star met elkaar verbonden zijn, te 'beven'.
De wet van thermische uitzetting van lichamen is als volgt geformuleerd: elk lichaam met een lineaire maat L in het proces van verwarming met dT (delta T is het verschil tussen de begintemperatuur en de eindtemperatuur), zet uit met dL (delta L is de afgeleide van de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt door objectlengte en temperatuurverschil). Dit is de eenvoudigste versie van deze wet, die er standaard rekening mee houdt dat het lichaam in alle richtingen tegelijk uitzet. Maar voor praktisch werk worden veel omslachtigere berekeningen gebruikt, omdat materialen zich in werkelijkheid anders gedragen dan die welke door natuurkundigen en wiskundigen zijn gemodelleerd.
Thermische uitzetting van de rail
Natuurkundigen zijn altijd betrokken bij het leggen van het spoor, omdat ze nauwkeurig kunnen berekenen hoeveel afstand er tussen de spoorverbindingen moet zijn, zodat het spoor niet vervormt bij verwarming of koeling.
Zoals hierboven vermeld, is thermische lineaire uitzetting van toepassing op alle vaste stoffen. En het spoor is geen uitzondering. Maar er is één detail. Lineaire veranderingvrij gebeurt als het lichaam niet wordt beïnvloed door de wrijvingskracht. De rails zijn stevig aan de dwarsliggers bevestigd en aan aangrenzende rails gelast, dus de wet die de lengteverandering beschrijft, houdt rekening met het overwinnen van obstakels in de vorm van lineaire en stootweerstanden.
Als een spoorstaaf zijn lengte niet kan veranderen, dan neemt bij een verandering in temperatuur de thermische spanning toe, wat hem zowel kan uitrekken als samendrukken. Dit fenomeen wordt beschreven door de wet van Hooke.
