Žinoma, kad veikiamos šilumos dalelės pagreitina savo chaotišką judėjimą. Jei kaitinate dujas, tada jas sudarančios molekulės tiesiog išsisklaidys viena nuo kitos. Kaitinamas skystis pirmiausia padidins tūrį, o tada pradės išgaruoti. Kas atsitiks su kietosiomis medžiagomis? Ne kiekvienas iš jų gali pakeisti savo agregavimo būseną.
Šiluminio plėtimosi apibrėžimas
Šiluminis plėtimasis – tai kūnų dydžio ir formos pasikeitimas, pasikeitus temperatūrai. Matematiškai galima apskaičiuoti tūrinį plėtimosi koeficientą, kuris leidžia numatyti dujų ir skysčių elgseną kintančiomis išorės sąlygomis. Norint gauti tuos pačius kietųjų medžiagų rezultatus, reikia atsižvelgti į tiesinės plėtimosi koeficientą. Fizikai tokio pobūdžio tyrimams išskyrė visą skyrių ir pavadino jį dilatometrija.
Inžinieriams ir architektams projektuojant pastatus, tiesiant kelius ir vamzdžius reikia žinių apie skirtingų medžiagų elgseną aukštai ir žemai temperatūrai.
Dujų plėtra
Šiluminisdujų plėtimąsi lydi jų tūrio erdvėje didėjimas. Tai pastebėjo gamtos filosofai senovėje, tačiau tik šiuolaikiniai fizikai sugebėjo atlikti matematinius skaičiavimus.
Visų pirma mokslininkai susidomėjo oro plėtimu, nes jiems tai atrodė įmanoma užduotis. Jie taip uoliai ėmėsi verslo, kad sulaukė gana prieštaringų rezultatų. Žinoma, mokslo bendruomenė nebuvo patenkinta tokiu rezultatu. Matavimo tikslumas priklausė nuo naudoto termometro, slėgio ir įvairių kitų sąlygų. Kai kurie fizikai netgi priėjo prie išvados, kad dujų plėtimasis nepriklauso nuo temperatūros pokyčių. Arba ši priklausomybė nebaigta…
D altono ir Gay-Lussac darbai
Fizikai ginčytųsi tol, kol užkimtų, arba būtų atsisakę matavimų, jei ne Johnas D altonas. Jis ir kitas fizikas Gay-Lussac sugebėjo nepriklausomai gauti tuos pačius matavimo rezultatus tuo pačiu metu.
Lussac bandė rasti tiek daug skirtingų rezultatų priežastį ir pastebėjo, kad kai kuriuose įrenginiuose eksperimento metu buvo vandens. Natūralu, kad kaitinant jis virto garais ir pakeitė tiriamų dujų kiekį bei sudėtį. Todėl pirmas dalykas, kurį mokslininkas padarė, buvo kruopščiai išdžiovinti visus instrumentus, kuriuos naudojo eksperimentui atlikti, ir iš tiriamų dujų neįtraukti net minimalaus drėgmės procento. Po visų šių manipuliacijų pirmieji keli eksperimentai pasirodė esą patikimesni.
D altonas šią problemą nagrinėjo ilgiaujo kolega ir rezultatus paskelbė pačioje XIX amžiaus pradžioje. Jis išdžiovino orą sieros rūgšties garais ir pakaitino. Po daugybės eksperimentų Johnas padarė išvadą, kad visos dujos ir garai plečiasi 0,376. Lussac gavo skaičių 0,375. Tai tapo oficialiu tyrimo rezultatu.
Vandens garų elastingumas
Dujų šiluminis plėtimasis priklauso nuo jų elastingumo, ty nuo galimybės grįžti į pradinį tūrį. Ziegleris pirmasis ištyrė šį klausimą XVIII amžiaus viduryje. Tačiau jo eksperimentų rezultatai per daug skyrėsi. Patikimesnius skaičius gavo James Watt, kuris naudojo katilą aukštai temperatūrai ir barometrą žemai temperatūrai.
XVIII amžiaus pabaigoje prancūzų fizikas Prony bandė išvesti vieną formulę, kuri apibūdintų dujų elastingumą, tačiau ji pasirodė pernelyg sudėtinga ir sunkiai naudojama. D altonas nusprendė visus skaičiavimus išbandyti empiriškai, tam naudodamas sifono barometrą. Nepaisant to, kad temperatūra visuose eksperimentuose nebuvo vienoda, rezultatai buvo labai tikslūs. Taigi jis paskelbė juos kaip lentelę savo fizikos vadovėlyje.
Išgaravimo teorija
Dujų šiluminis plėtimasis (kaip fizinė teorija) patyrė įvairių pokyčių. Mokslininkai bandė išsiaiškinti procesus, kuriais gaminamas garas. Čia vėl pasižymėjo žinomas fizikas D altonas. Jis iškėlė hipotezę, kad bet kuri erdvė yra prisotinta dujų garų, nepaisant to, ar jų yra šiame rezervuare.(kambaryje) bet kokios kitos dujos ar garai. Todėl galima daryti išvadą, kad skystis neišgaruos tiesiog kontaktuodamas su atmosferos oru.
Oro stulpelio slėgis skysčio paviršiuje padidina tarpą tarp atomų, juos suplėšydamas ir išgaruodamas, tai yra, prisideda prie garų susidarymo. Tačiau gravitacija ir toliau veikia garų molekules, todėl mokslininkai apskaičiavo, kad atmosferos slėgis neturi įtakos skysčių išgaravimui.
Skysčių išsiplėtimas
Skysčių šiluminis plėtimasis buvo tiriamas lygiagrečiai su dujų plėtimu. Tie patys mokslininkai užsiėmė moksliniais tyrimais. Tam jie naudojo termometrus, aerometrus, ryšio indus ir kitus prietaisus.
Visi eksperimentai kartu ir kiekvienas atskirai paneigė D altono teoriją, kad vienarūšiai skysčiai plečiasi proporcingai temperatūros, iki kurios jie įkaista, kvadratui. Žinoma, kuo aukštesnė temperatūra, tuo didesnis skysčio tūris, tačiau tiesioginio ryšio tarp to nebuvo. Taip, ir visų skysčių plėtimosi greitis buvo skirtingas.
Pavyzdžiui, vandens šiluminis plėtimasis prasideda esant nuliui Celsijaus laipsnių ir tęsiasi, kai temperatūra nukrenta. Anksčiau tokie eksperimentų rezultatai buvo siejami su tuo, kad plečiasi ne pats vanduo, o siaurėja talpa, kurioje jis yra. Tačiau po kurio laiko fizikas Deluca vis dėlto priėjo prie išvados, kad priežasties reikia ieškoti pačiame skystyje. Jis nusprendė rasti didžiausio tankio temperatūrą. Tačiau jam nepavyko dėl nepriežiūroskai kurios detalės. Rumforthas, tyrinėjęs šį reiškinį, nustatė, kad didžiausias vandens tankis stebimas nuo 4 iki 5 laipsnių Celsijaus.
Šiluminis kūnų plėtimasis
Kietose medžiagose pagrindinis plėtimosi mechanizmas yra kristalinės gardelės virpesių amplitudės pokytis. Paprastais žodžiais tariant, atomai, kurie sudaro medžiagą ir yra tvirtai sujungti vienas su kitu, pradeda „drebėti“.
Kūnų šiluminio plėtimosi dėsnis formuluojamas taip: bet koks kūnas, kurio linijinis dydis L, kaitinamas dT (delta T yra skirtumas tarp pradinės ir galutinės temperatūros), plečiasi dL (delta L yra linijinio šiluminio plėtimosi koeficiento pagal objekto ilgį ir temperatūrų skirtumą išvestinė). Tai yra paprasčiausias šio įstatymo variantas, kuriame pagal nutylėjimą atsižvelgiama į tai, kad kūnas plečiasi į visas puses vienu metu. Tačiau praktiniam darbui naudojami daug sudėtingesni skaičiavimai, nes iš tikrųjų medžiagos elgiasi kitaip, nei sumodeliavo fizikai ir matematikai.
Šiluminis bėgio plėtimasis
Fizikos inžinieriai visada dalyvauja tiesiant geležinkelio bėgius, nes jie gali tiksliai apskaičiuoti, koks atstumas turi būti tarp bėgių jungčių, kad bėgiai nesideformuotų šildant ar vėsinant.
Kaip minėta pirmiau, terminis linijinis plėtimasis taikomas visoms kietosioms medžiagoms. Ir bėgiai nėra išimtis. Tačiau yra viena detalė. Linijinis pokytislaisvai atsiranda, jei kūno neveikia trinties jėga. Bėgiai yra standžiai pritvirtinti prie pabėgių ir suvirinti prie gretimų bėgių, todėl dėsnyje, kuriame aprašomas ilgio pokytis, atsižvelgiama į kliūčių įveikimą linijinio ir užpakalinio pasipriešinimo pavidalu.
Jei bėgis negali pakeisti savo ilgio, tai keičiantis temperatūrai jame didėja šiluminis įtempis, kuris gali ir ištempti, ir suspausti. Šį reiškinį apibūdina Huko dėsnis.
