On tunnettua, että lämmön vaikutuksesta hiukkaset kiihdyttävät kaoottista liikettä. Jos lämmität kaasua, sen muodostavat molekyylit yksinkertaisesti hajoavat toisistaan. Kuumennetun nesteen tilavuus kasvaa ensin ja alkaa sitten haihtua. Mitä tapahtuu kiintoaineille? Jokainen niistä ei voi muuttaa aggregaatiotilaansa.
Lämpölaajenemisen määritelmä
Lämpölaajeneminen on kappaleiden koon ja muodon muutosta lämpötilan muutoksen myötä. Matemaattisesti on mahdollista laskea tilavuuslaajenemiskerroin, joka mahdollistaa kaasujen ja nesteiden käyttäytymisen ennustamisen muuttuvissa ulkoisissa olosuhteissa. Jotta kiinteille aineille saadaan samat tulokset, on lineaarilaajenemiskerroin otettava huomioon. Fyysikot ovat valinneet kokonaisen osan tällaista tutkimusta varten ja kutsuneet sitä dilatometriaksi.
Insinöörit ja arkkitehdit tarvitsevat tietoa eri materiaalien käyttäytymisestä korkeiden ja alhaisten lämpötilojen vaikutuksesta rakennusten suunnittelua, teiden ja putkien asettamista varten.
Kaasun laajennus
Lämpökaasujen laajenemiseen liittyy niiden tilavuuden laajeneminen avaruudessa. Luonnonfilosofit huomasivat tämän muinaisina aikoina, mutta vain nykyajan fyysikot onnistuivat rakentamaan matemaattisia laskelmia.
Ensinnäkin tiedemiehet kiinnostuivat ilman laajenemisesta, koska se näytti heidän mielestään toteuttamiskelpoiselta tehtävältä. He ryhtyivät asioihin niin innokkaasti, että saivat melko ristiriitaisia tuloksia. Tiedeyhteisö ei tietenkään ollut tyytyväinen tällaiseen tulokseen. Mittauksen tarkkuus riippui käytetystä lämpömittarista, paineesta ja monista muista olosuhteista. Jotkut fyysikot ovat jopa tulleet siihen johtopäätökseen, että kaasujen laajeneminen ei riipu lämpötilan muutoksista. Vai onko tämä riippuvuus epätäydellinen…
D altonin ja Gay-Lussacin teoksia
Fyysikot jatkaisivat väittelyä, kunnes he ovat käheitä, tai olisivat hylänneet mittaukset ilman John D altonia. Hän ja toinen fyysikko, Gay-Lussac, pystyivät saamaan itsenäisesti samat mittaustulokset samaan aikaan.
Lussac yritti löytää syyn niin moniin erilaisiin tuloksiin ja huomasi, että joissakin kokeen aikaisissa laitteissa oli vettä. Luonnollisesti se muuttui kuumennusprosessissa höyryksi ja muutti tutkittujen kaasujen määrää ja koostumusta. Siksi ensimmäinen asia, jonka tiedemies teki, oli kuivata perusteellisesti kaikki instrumentit, joita hän käytti kokeen suorittamiseen, ja sulkea pois jopa pienin mahdollinen kosteusprosentti tutkittavasta kaasusta. Kaikkien näiden manipulointien jälkeen ensimmäiset kokeilut osoittautuivat luotettavammiksi.
D alton käsitteli tätä asiaa pidempäänhänen kollegansa ja julkaisi tulokset aivan 1800-luvun alussa. Hän kuivasi ilman rikkihappohöyryllä ja lämmitti sen sitten. Useiden kokeiden jälkeen John tuli siihen tulokseen, että kaikki kaasut ja höyryt laajenevat kertoimella 0,376. Lussac sai luvun 0,375. Tästä tuli tutkimuksen virallinen tulos.
Vesihöyryn elastisuus
Kaasujen lämpölaajeneminen riippuu niiden elastisuudesta, eli kyvystä palata alkuperäiseen tilavuuteensa. Ziegler oli ensimmäinen, joka tutki tätä asiaa 1700-luvun puolivälissä. Mutta hänen kokeidensa tulokset vaihtelivat liikaa. Luotettavampia lukuja sai James Watt, joka käytti kattilaa korkeisiin lämpötiloihin ja barometria alhaisiin lämpötiloihin.
1700-luvun lopulla ranskalainen fyysikko Prony yritti johtaa yhden kaavan, joka kuvaisi kaasujen elastisuutta, mutta se osoittautui liian hankalaksi ja vaikeasti käytettäväksi. D alton päätti testata kaikki laskelmat empiirisesti käyttämällä tätä varten sifonibarometriä. Huolimatta siitä, että lämpötila ei ollut sama kaikissa kokeissa, tulokset olivat erittäin tarkkoja. Joten hän julkaisi ne taulukkona fysiikan oppikirjassaan.
Haihtumisteoria
Kaasujen lämpölaajeneminen (fysikaalisena teoriana) on käynyt läpi erilaisia muutoksia. Tutkijat yrittivät päästä prosessien pohjaan, jolla höyryä tuotetaan. Tässäkin tunnettu fyysikko D alton erottui. Hän oletti, että mikä tahansa tila on kyllästetty kaasuhöyryllä, riippumatta siitä, onko sitä tässä säiliössä.(huone) mikä tahansa muu kaasu tai höyry. Tästä syystä voidaan päätellä, että neste ei haihdu pelkästään joutuessaan kosketuksiin ilmakehän ilman kanssa.
Ilmapatsaan paine nesteen pinnalla lisää atomien välistä tilaa, repii ne erilleen ja haihtuu, eli se edistää höyryn muodostumista. Mutta painovoima vaikuttaa edelleen höyrymolekyyleihin, joten tiedemiehet laskivat, että ilmanpaineella ei ole vaikutusta nesteiden haihtumiseen.
nesteiden laajeneminen
Nesteiden lämpölaajenemista tutkittiin rinnakkain kaasujen laajenemisen kanssa. Samat tutkijat olivat mukana tieteellisessä tutkimuksessa. Tätä varten he käyttivät lämpömittareita, ilmamittareita, yhteysaluksia ja muita välineitä.
Kaikki kokeet yhdessä ja kukin erikseen kumosivat D altonin teorian, jonka mukaan homogeeniset nesteet laajenevat suhteessa sen lämpötilan neliöön, johon ne kuumennetaan. Tietenkin mitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi nesteen tilavuus, mutta sen välillä ei ollut suoraa yhteyttä. Kyllä, ja kaikkien nesteiden paisumisnopeus oli erilainen.
Esimerkiksi veden lämpölaajeneminen alkaa nollasta Celsius-asteesta ja jatkuu lämpötilan laskeessa. Aiemmin tällaiset kokeiden tulokset liittyivät siihen, että vesi ei itse laajene, vaan säiliö, jossa se sijaitsee, kapenee. Mutta jonkin aikaa myöhemmin fyysikko Deluca tuli kuitenkin siihen tulokseen, että syytä pitäisi etsiä itse nesteestä. Hän päätti löytää sen suurimman tiheyden lämpötilan. Hän ei kuitenkaan onnistunut laiminlyönnin vuoksijoitain yksityiskohtia. Rumforth, joka tutki tätä ilmiötä, havaitsi, että veden maksimitiheys on 4-5 celsiusastetta.
Rungosten lämpölaajeneminen
Kiinteissä aineissa pääasiallinen laajenemismekanismi on muutos kidehilan värähtelyjen amplitudissa. Yksinkertaisesti sanottuna atomit, jotka muodostavat materiaalin ja ovat tiukasti sidoksissa toisiinsa, alkavat "vapina".
Kappaleiden lämpölaajenemislaki on muotoiltu seuraavasti: mikä tahansa kappale, jonka lineaarinen koko on L kuumennettaessa dT:llä (delta T on alkulämpötilan ja loppulämpötilan välinen ero), laajenee dL:llä (delta L on lineaarisen lämpölaajenemiskertoimen derivaatta kohteen pituuden ja lämpötilaeron mukaan). Tämä on tämän lain yksinkertaisin versio, joka oletuksena ottaa huomioon, että runko laajenee kaikkiin suuntiin kerralla. Mutta käytännön työssä käytetään paljon hankalampia laskelmia, koska todellisuudessa materiaalit käyttäytyvät eri tavalla kuin fyysikkojen ja matemaatikoiden mallintamat.
Kiskon lämpölaajeneminen
Fyysiset insinöörit ovat aina mukana rautatien rakentamisessa, koska he voivat laskea tarkasti kiskon liitosten välisen etäisyyden, jotta raiteet eivät väänny lämmitettäessä tai jäähdytettäessä.
Kuten edellä mainittiin, lineaarista lämpölaajenemista voidaan soveltaa kaikkiin kiinteisiin aineisiin. Ja rautatie ei ole poikkeus. Mutta on yksi yksityiskohta. Lineaarinen muutostapahtuu vapaasti, jos vartaloon ei vaikuta kitkavoima. Kiskot on kiinnitetty jäykästi ratapölkkyihin ja hitsattu vierekkäisiin kiskoihin, joten pituuden muutosta kuvaava laki ottaa huomioon esteiden voittamisen lineaaristen ja päittäisvastusten muodossa.
Jos kisko ei voi muuttaa pituuttaan, niin lämpötilan muutoksessa siinä lisääntyy lämpöjännitys, joka voi sekä venyttää että puristaa sitä. Tätä ilmiötä kuvaa Hooken laki.
