Người ta biết rằng dưới tác động của nhiệt các hạt gia tốc chuyển động hỗn loạn của chúng. Nếu bạn đốt nóng một chất khí, thì các phân tử tạo thành nó sẽ đơn giản phân tán ra khỏi nhau. Chất lỏng được đun nóng trước tiên sẽ tăng thể tích, và sau đó bắt đầu bay hơi. Điều gì sẽ xảy ra với chất rắn? Không phải mọi thứ trong số chúng đều có thể thay đổi trạng thái tập hợp của nó.
Định nghĩa giãn nở nhiệt
Sự nở vì nhiệt là sự thay đổi kích thước và hình dạng của các vật thể với sự thay đổi của nhiệt độ. Về mặt toán học, có thể tính toán hệ số giãn nở thể tích, giúp dự đoán hành vi của chất khí và chất lỏng trong điều kiện bên ngoài thay đổi. Để có được kết quả tương tự đối với chất rắn, phải tính đến hệ số giãn nở tuyến tính. Các nhà vật lý đã chọn ra một phần toàn bộ cho loại nghiên cứu này và gọi nó là phép đo độ giãn.
Các kỹ sư và kiến trúc sư cần có kiến thức về hoạt động của các vật liệu khác nhau dưới tác động của nhiệt độ cao và thấp để thiết kế các tòa nhà, đường đặt và đường ống.
Khí nở ra
Nhiệtsự giãn nở của các chất khí đi kèm với sự giãn nở thể tích của chúng trong không gian. Điều này đã được các nhà triết học tự nhiên thời cổ đại chú ý, nhưng chỉ các nhà vật lý hiện đại mới xây dựng được các phép tính toán học.
Đầu tiên, các nhà khoa học quan tâm đến sự giãn nở của không khí, vì đối với họ, đó dường như là một nhiệm vụ khả thi. Họ lao vào công việc kinh doanh một cách hăng say nên đã nhận được những kết quả khá trái ngược nhau. Đương nhiên, giới khoa học không hài lòng với một kết quả như vậy. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào nhiệt kế được sử dụng, áp suất và nhiều điều kiện khác. Một số nhà vật lý thậm chí còn đưa ra kết luận rằng sự nở ra của chất khí không phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ. Hay là cơn nghiện này chưa hoàn thành…
Tác phẩm của D alton và Gay-Lussac
Các nhà vật lý sẽ tiếp tục tranh luận cho đến khi họ khản giọng hoặc sẽ bỏ các phép đo nếu không có John D alton. Ông và một nhà vật lý khác, Gay-Lussac, đã có thể độc lập thu được các kết quả đo giống nhau tại cùng một thời điểm.
Lussac đã cố gắng tìm ra lý do cho rất nhiều kết quả khác nhau và nhận thấy rằng một số thiết bị tại thời điểm thử nghiệm có nước. Đương nhiên, trong quá trình đốt nóng, nó đã biến thành hơi nước và làm thay đổi số lượng cũng như thành phần của các khí được nghiên cứu. Do đó, điều đầu tiên nhà khoa học làm là làm khô hoàn toàn tất cả các dụng cụ mà ông sử dụng để tiến hành thí nghiệm, và loại trừ ngay cả phần trăm độ ẩm tối thiểu của khí đang nghiên cứu. Sau tất cả những thao tác này, một vài thử nghiệm đầu tiên trở nên đáng tin cậy hơn.
D alton giải quyết vấn đề này lâu hơnđồng nghiệp của mình và công bố kết quả vào đầu thế kỷ 19. Người ta làm khô không khí bằng hơi axit sunfuric rồi đun nóng. Sau một loạt thí nghiệm, John đã đi đến kết luận rằng tất cả các chất khí và hơi nước đều nở ra theo hệ số 0,376. Lussac lấy con số 0,375. Đây là kết quả chính thức của nghiên cứu.
Tính đàn hồi của hơi nước
Sự nở vì nhiệt của các chất khí phụ thuộc vào tính đàn hồi của chúng, nghĩa là khả năng trở về thể tích ban đầu của chúng. Ziegler là người đầu tiên điều tra vấn đề này vào giữa thế kỷ XVIII. Nhưng kết quả của các thí nghiệm của ông ấy khác nhau quá nhiều. Số liệu đáng tin cậy hơn đã được thu được bởi James Watt, người đã sử dụng một cái vạc cho nhiệt độ cao và một phong vũ biểu cho nhiệt độ thấp.
Vào cuối thế kỷ 18, nhà vật lý người Pháp Prony đã cố gắng tìm ra một công thức duy nhất mô tả tính đàn hồi của chất khí, nhưng hóa ra nó quá cồng kềnh và khó sử dụng. D alton quyết định kiểm tra tất cả các phép tính theo kinh nghiệm, sử dụng phong vũ biểu siphon cho việc này. Mặc dù thực tế là nhiệt độ không giống nhau trong tất cả các thí nghiệm, nhưng kết quả rất chính xác. Vì vậy, ông đã xuất bản chúng dưới dạng một bảng trong sách giáo khoa vật lý của mình.
Thuyết bay hơi
Sự nở vì nhiệt của chất khí (như một lý thuyết vật lý) đã trải qua nhiều thay đổi khác nhau. Các nhà khoa học đã cố gắng đi sâu tìm hiểu quá trình tạo ra hơi nước. Ở đây một lần nữa, nhà vật lý nổi tiếng D alton đã làm nổi bật mình. Ông đưa ra giả thuyết rằng bất kỳ không gian nào cũng bão hòa hơi khí, bất kể nó có trong hồ chứa này hay không(phòng) bất kỳ khí hoặc hơi nước nào khác. Do đó, có thể kết luận rằng chất lỏng sẽ không bay hơi chỉ đơn giản là tiếp xúc với không khí trong khí quyển.
Áp suất của cột không khí trên bề mặt chất lỏng làm tăng không gian giữa các nguyên tử, xé chúng ra và bay hơi, tức là nó góp phần hình thành hơi nước. Nhưng lực hấp dẫn vẫn tiếp tục tác động lên các phân tử hơi, vì vậy các nhà khoa học đã tính toán rằng áp suất khí quyển không ảnh hưởng đến sự bay hơi của chất lỏng.
Sự giãn nở của chất lỏng
Sự nở vì nhiệt của chất lỏng được nghiên cứu song song với sự nở ra của chất khí. Các nhà khoa học tương tự đã tham gia vào nghiên cứu khoa học. Để làm được điều này, họ đã sử dụng nhiệt kế, khí dung, bình thông tin liên lạc và các dụng cụ khác.
Tất cả các thí nghiệm cùng nhau và mỗi thí nghiệm đều bác bỏ lý thuyết của D alton rằng các chất lỏng đồng nhất nở ra tỷ lệ với bình phương nhiệt độ mà chúng được đốt nóng. Tất nhiên, nhiệt độ càng cao, thể tích của chất lỏng càng lớn, nhưng không có mối quan hệ trực tiếp nào giữa nó. Có, và tốc độ giãn nở của tất cả các chất lỏng là khác nhau.
Ví dụ, sự nở vì nhiệt của nước bắt đầu ở 0 độ C và tiếp tục khi nhiệt độ giảm xuống. Trước đây, những kết quả thí nghiệm như vậy gắn liền với thực tế rằng không phải bản thân nước nở ra, mà là vật chứa trong đó nó thu hẹp lại. Nhưng một thời gian sau, nhà vật lý Deluca vẫn đưa ra kết luận rằng nên tìm nguyên nhân ở chính chất lỏng. Ông quyết định tìm nhiệt độ của mật độ lớn nhất của nó. Tuy nhiên, anh ấy đã không thành công do sự lơ làMột số chi tiết. Rumforth, người đã nghiên cứu hiện tượng này, phát hiện ra rằng mật độ tối đa của nước có thể quan sát được trong khoảng từ 4 đến 5 độ C.
Sự giãn nở nhiệt của các cơ thể
Trong chất rắn, cơ chế chính của sự giãn nở là sự thay đổi biên độ dao động của mạng tinh thể. Nói một cách đơn giản, các nguyên tử tạo nên vật liệu và được liên kết chặt chẽ với nhau bắt đầu “run rẩy”.
Quy luật giãn nở vì nhiệt của các vật thể được xây dựng như sau: vật thể bất kỳ có kích thước tuyến tính L trong quá trình nóng lên bởi dT (delta T là hiệu số giữa nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối cùng), nở ra bởi dL (delta L là đạo hàm của hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính theo chiều dài vật thể và chênh lệch nhiệt độ). Đây là phiên bản đơn giản nhất của luật này, theo mặc định có tính đến việc cơ thể mở rộng theo mọi hướng cùng một lúc. Nhưng đối với công việc thực tế, các phép tính phức tạp hơn nhiều được sử dụng, vì trong thực tế, các vật liệu hoạt động khác với các vật liệu được lập mô hình bởi các nhà vật lý và toán học.
Sự giãn nở nhiệt của đường ray
Các kỹ sư vật lý luôn tham gia vào việc đặt đường ray, vì họ có thể tính toán chính xác khoảng cách giữa các khớp nối ray để đường ray không bị biến dạng khi nóng lên hoặc nguội đi.
Như đã đề cập ở trên, sự giãn nở tuyến tính vì nhiệt có thể áp dụng cho mọi chất rắn. Và đường sắt cũng không ngoại lệ. Nhưng có một chi tiết. Thay đổi tuyến tínhtự do xảy ra nếu vật không chịu tác dụng của lực ma sát. Các thanh ray được gắn chặt vào tà vẹt và hàn với các thanh ray liền kề, vì vậy luật mô tả sự thay đổi về chiều dài có tính đến việc vượt qua các chướng ngại vật dưới dạng lực cản tuyến tính và điện trở đối đầu.
Nếu một thanh ray không thể thay đổi chiều dài của nó, thì với sự thay đổi nhiệt độ, ứng suất nhiệt tăng lên trong nó, có thể vừa kéo căng vừa có thể nén nó. Hiện tượng này được mô tả bởi Định luật Hooke.
