هل سبق لك أن لاحظت تلك الفجوة الصغيرة في خطوط السكك الحديدية؟ لماذا تعتقد أنهم هناك؟ أو هل سبق لك أن لاحظت أن والدتك تحاول فتح الزجاجة المحشورة عن طريق تسخينها بالقرب من رقبتها؟ ما هو كل هذا السحر؟ دعونا نتعرف على المزيد حول عملية التمدد الحراري.
ما هو التمدد الحراري؟
إذا زادت درجة الحرارة، فإن حجم المادة يزداد أيضًا. وبشكل عام، يُعرف هذا بالتمدد الحراري. يمكننا التعبير عنه بهذه الطريقة، وهو التغير الجزئي في الطول أو الحجم لكل وحدة تغير في درجة الحرارة.
في حالة تمدد مادة صلبة، عادة ما يتم استخدام معامل التمدد الخطي.
في حالة التمدد الحراري للمادة الصلبة، يتم وصفه من حيث التغير في الطول والارتفاع والسمك. بالنسبة للسائل والغاز، يكون معامل التمدد الحجمي أكثر فائدة. بشكل عام، إذا كانت المادة سائلة فيمكننا وصفها من حيث التغير في الحجم.
بين الذرات والجزيئات، تختلف قوى الترابط من مادة إلى أخرى. وتعرف خصائص العناصر والمركبات بمعامل التمدد. إذا كانت المادة الصلبة البلورية لها نفس التكوين الهيكلي في جميع أنحاءها (متساوي القياس)، فسيكون التمدد موحدًا في جميع أبعاد البلورة.
إذا لم تكن البلورة متساوية القياس فإن معامل التمدد يختلف أيضًا باختلاف الاتجاهات البلورية ومع تغير درجة الحرارة فإن البلورة ستغير شكلها أيضًا. تتمتع المواد الأكثر ليونة بمعامل تمدد أعلى (CTE) ولكن المواد الأكثر صلابة مثل التنغستن لها معامل تمدد أقل.
إقرأ أيضاً… ما هي قوانين الديناميكا الحرارية الثلاثة؟
أنواع التمدد الحراري.
فيما يلي شرح لأنواع التمدد الحراري:
1. التمدد الخطي.
يتم تعريف التمدد الخطي على أنه الزيادة في طول المادة الصلبة. مثال: إذا نظرنا إلى قضيب واحد طوله l، فسنزيد درجة حرارة القضيب بمقدار بسيط. لذلك يتم إعطاء التوسع الخطي بواسطة:
ΔL = α L ΔT
α = التمدد الحراري.
L = قياس طول معين.
ΔL = التغير في الطول.
ΔT = التغير في درجة الحرارة.
يُشار إلى معامل التمدد الخطي للمادة الصلبة المعطاة على أنه (α). ثم بالنسبة للوحدة لكل درجة مئوية. في CGS وفي نظام SI فهي لكل كلفن K-1.
2. التمدد الحجمي.
توسيع الحجم: يتم تعريف توسيع الحجم على أنه الزيادة في حجم المادة الصلبة عند التسخين. مع التغير في درجة الحرارة ∆t يتم إعطاء التغير في حجم المادة الصلبة بواسطة ∆v=V y∆ t حيث يكون معامل تمدد الحجم y.
3. التمدد السطحي.
يتم تعريف التمدد السطحي على أنه الزيادة في مساحة سطح المادة الصلبة عند التسخين. إذا اعتبرت أن مساحة المادة الصلبة عند 00C هي A0، فإن مساحتها عند t0c تعطى بالصيغة التالية: A0 (l+βt). وحدة β هي 0C-1 أو K-1. حيث β يعرف بمعامل التمدد السطحي.
6α = 3β = 2γ
توضح هذه المعادلة العلاقة بين α هو التمدد الخطي، β هو التمدد السطحي، هو التمدد الحجمي. معاملات التمدد الثلاثة هذه لمادة صلبة ليست ثابتة لأن هذه القيم تعتمد كليًا على درجة الحرارة.
من أمثلة التمدد الحراري في حياتنا اليومية موازين الحرارة، والتثبيت على العجلات الخشبية، وتثبيت الإطارات المعدنية، وما إلى ذلك.
