Je známe, že vplyvom tepla častice urýchľujú svoj chaotický pohyb. Ak ohrievate plyn, molekuly, ktoré ho tvoria, sa jednoducho rozptýlia jedna od druhej. Zahriata kvapalina najskôr zväčší svoj objem a potom sa začne odparovať. Čo sa stane s pevnými látkami? Nie každý z nich môže zmeniť svoj stav agregácie.
Definícia tepelnej rozťažnosti
Tepelná rozťažnosť je zmena veľkosti a tvaru telies so zmenou teploty. Matematicky je možné vypočítať koeficient objemovej rozťažnosti, ktorý umožňuje predpovedať správanie plynov a kvapalín v meniacich sa vonkajších podmienkach. Na získanie rovnakých výsledkov pre pevné látky je potrebné vziať do úvahy koeficient lineárnej rozťažnosti. Fyzici vybrali pre tento druh výskumu celú sekciu a nazvali ju dilatometria.
Inžinieri a architekti potrebujú znalosti o správaní sa rôznych materiálov pod vplyvom vysokých a nízkych teplôt na navrhovanie budov, kladenie ciest a potrubí.
Expanzia plynu
Termálneexpanzia plynov je sprevádzaná expanziou ich objemu v priestore. To si všimli prírodní filozofi v staroveku, ale iba moderní fyzici dokázali vytvoriť matematické výpočty.
Vedci sa v prvom rade začali zaujímať o expanziu vzduchu, pretože sa im to zdalo ako realizovateľná úloha. Pustili sa do podnikania tak horlivo, že dosiahli dosť rozporuplné výsledky. Prirodzene, vedecká komunita nebola s takýmto výsledkom spokojná. Presnosť merania závisela od použitého teplomera, tlaku a rôznych ďalších podmienok. Niektorí fyzici dokonca prišli na to, že expanzia plynov nezávisí od zmien teploty. Alebo je táto závislosť neúplná…
Diela D altona a Gay-Lussaca
Fyzici by sa hádali, až by boli zachrípnutí alebo by sa vzdali meraní, keby nebolo Johna D altona. On a ďalší fyzik, Gay-Lussac, boli schopní nezávisle získať rovnaké výsledky meraní v rovnakom čase.
Lussac sa pokúsil nájsť dôvod toľkých rôznych výsledkov a všimol si, že niektoré zariadenia v čase experimentu mali vodu. Prirodzene sa v procese zahrievania zmenil na paru a zmenil množstvo a zloženie skúmaných plynov. Preto prvá vec, ktorú vedec urobil, bolo dôkladne vysušiť všetky nástroje, ktoré použil na vykonanie experimentu, a vylúčiť čo i len minimálne percento vlhkosti zo skúmaného plynu. Po všetkých týchto manipuláciách sa prvých pár experimentov ukázalo ako spoľahlivejších.
D alton sa týmto problémom zaoberal dlhšiesvojho kolegu a výsledky zverejnil na samom začiatku 19. storočia. Vysušil vzduch parami kyseliny sírovej a potom zahrial. Po sérii experimentov John dospel k záveru, že všetky plyny a para expandujú faktorom 0,376. Lussac dostal číslo 0,375. Toto sa stalo oficiálnym výsledkom štúdie.
Elasticita vodnej pary
Tepelná rozťažnosť plynov závisí od ich elasticity, teda schopnosti vrátiť sa do pôvodného objemu. Ziegler bol prvým, kto túto otázku skúmal v polovici osemnásteho storočia. Ale výsledky jeho experimentov sa príliš líšili. Spoľahlivejšie údaje získal James Watt, ktorý použil kotol na vysoké teploty a barometer na nízke teploty.
Na konci 18. storočia sa francúzsky fyzik Prony pokúsil odvodiť jediný vzorec, ktorý by popisoval elasticitu plynov, ale ukázalo sa, že je príliš ťažkopádny a ťažko použiteľný. D alton sa rozhodol všetky výpočty otestovať empiricky, pričom na to použil sifónový barometer. Napriek tomu, že teplota nebola vo všetkých experimentoch rovnaká, výsledky boli veľmi presné. Publikoval ich teda ako tabuľku vo svojej učebnici fyziky.
Teória odparovania
Tepelná rozťažnosť plynov (ako fyzikálna teória) prešla rôznymi zmenami. Vedci sa pokúsili dostať k podstate procesov, pri ktorých vzniká para. Tu sa opäť vyznamenal známy fyzik D alton. Predpokladal, že akýkoľvek priestor je nasýtený plynovými parami, bez ohľadu na to, či sú prítomné v tomto rezervoári(izba) akýkoľvek iný plyn alebo para. Preto je možné usúdiť, že kvapalina sa neodparí jednoduchým kontaktom s atmosférickým vzduchom.
Tlak vzduchového stĺpca na povrchu kvapaliny zväčšuje priestor medzi atómami, roztrháva ich a vyparuje, to znamená, že prispieva k tvorbe pary. Ale gravitácia naďalej pôsobí na molekuly pary, takže vedci vypočítali, že atmosférický tlak nemá žiadny vplyv na vyparovanie kvapalín.
Expanzia tekutín
Tepelná rozťažnosť kvapalín bola skúmaná súbežne s rozpínavosťou plynov. Tí istí vedci sa zaoberali vedeckým výskumom. Použili na to teplomery, aerometre, spojovacie nádoby a ďalšie prístroje.
Všetky experimenty spolu a každý samostatne vyvrátili D altonovu teóriu, že homogénne kvapaliny sa rozpínajú úmerne druhej mocnine teploty, na ktorú sa zahrejú. Samozrejme, čím vyššia teplota, tým väčší objem kvapaliny, ale nebol medzi tým priamy vzťah. Áno, a rýchlosť expanzie všetkých kvapalín bola iná.
Tepelná rozťažnosť vody napríklad začína pri nule stupňov Celzia a pokračuje, keď teplota klesá. Predtým boli takéto výsledky experimentov spojené so skutočnosťou, že sa nerozťahuje samotná voda, ale zužuje sa nádoba, v ktorej sa nachádza. O nejaký čas neskôr však fyzik Deluca dospel k záveru, že príčinu treba hľadať v samotnej kvapaline. Rozhodol sa nájsť teplotu jeho najväčšej hustoty. Pre zanedbanie sa mu to však nepodarilonejaké detaily. Rumforth, ktorý študoval tento jav, zistil, že maximálna hustota vody sa pozoruje v rozmedzí od 4 do 5 stupňov Celzia.
Tepelná rozťažnosť telies
Pri pevných látkach je hlavným mechanizmom expanzie zmena amplitúdy vibrácií kryštálovej mriežky. Jednoducho povedané, atómy, ktoré tvoria materiál a sú navzájom pevne spojené, sa začnú „chvieť“.
Zákon tepelnej rozťažnosti telies je formulovaný takto: každé teleso s lineárnou veľkosťou L sa v procese zahrievania o dT (delta T je rozdiel medzi počiatočnou teplotou a konečnou teplotou) roztiahne o dL (delta L je derivácia koeficientu lineárnej tepelnej rozťažnosti dĺžkou objektu a teplotným rozdielom). Toto je najjednoduchšia verzia tohto zákona, ktorá štandardne počíta s tým, že sa telo rozťahuje do všetkých strán naraz. Ale pre praktickú prácu sa používajú oveľa ťažkopádnejšie výpočty, pretože v skutočnosti sa materiály správajú inak ako tie, ktoré modelovali fyzici a matematici.
Tepelná rozťažnosť koľajnice
Fyzikální inžinieri sú vždy zapojení do kladenia železničnej trate, pretože vedia presne vypočítať, aká veľká vzdialenosť by mala byť medzi koľajnicami, aby sa koľajnice nedeformovali pri zahrievaní alebo ochladzovaní.
Ako je uvedené vyššie, tepelná lineárna rozťažnosť je použiteľná pre všetky pevné látky. A koľajnica nie je výnimkou. Ale je tu jeden detail. Lineárna zmenavoľne nastáva, ak na telo nepôsobí sila trenia. Koľajnice sú pevne pripevnené k podvalom a privarené k susedným koľajniciam, takže zákon, ktorý popisuje zmenu dĺžky, zohľadňuje prekonávanie prekážok vo forme lineárnych a tupých odporov.
Ak koľajnica nemôže zmeniť svoju dĺžku, so zmenou teploty sa v nej zvyšuje tepelné napätie, ktoré ju môže natiahnuť aj stlačiť. Tento jav popisuje Hookov zákon.
