Жылулық бөлшектердің әсерінен олардың ретсіз қозғалысын жеделдететіні белгілі. Егер сіз газды қыздырсаңыз, онда оны құрайтын молекулалар бір-бірінен жай ғана шашырап кетеді. Қыздырылған сұйықтық алдымен көлемі артады, содан кейін булана бастайды. Қатты заттармен не болады? Олардың әрқайсысы жинақтау күйін өзгерте алмайды.
Термиялық кеңею анықтамасы
Термиялық кеңею – температураның өзгеруімен денелердің өлшемдері мен пішіндерінің өзгеруі. Математикалық түрде көлемдік кеңею коэффициентін есептеуге болады, бұл өзгеретін сыртқы жағдайларда газдар мен сұйықтықтардың әрекетін болжауға мүмкіндік береді. Қатты денелер үшін бірдей нәтижелерді алу үшін сызықтық кеңею коэффициентін ескеру қажет. Физиктер мұндай зерттеулер үшін тұтас бір бөлімді бөліп алып, оны дилатометрия деп атады.
Инженерлер мен сәулетшілерге ғимараттарды жобалау, жолдар мен құбырларды төсеу үшін жоғары және төмен температура әсерінен әртүрлі материалдардың әрекеті туралы білім қажет.
Газды кеңейту
Жылугаздардың кеңеюі олардың кеңістіктегі көлемінің кеңеюімен бірге жүреді. Мұны ежелгі дәуірде натурфилософтар байқаған, бірақ тек қазіргі физиктер ғана математикалық есептеулерді құра алды.
Біріншіден, ғалымдар ауаның кеңеюіне қызығушылық танытты, өйткені бұл оларға орындалатын міндет болып көрінді. Олар бизнеске құлшыныспен кіріскені сонша, олар өте қарама-қайшы нәтижелерге қол жеткізді. Әрине, ғылыми қауымдастық мұндай нәтижеге қанағаттанбады. Өлшеудің дәлдігі қай термометрдің пайдаланылғанына, қысымға және басқа да көптеген жағдайларға байланысты болды. Кейбір физиктер тіпті газдардың кеңеюі температураның өзгеруіне байланысты емес деген қорытындыға келді. Немесе бұл тәуелділік толық емес пе…
Дальтон мен Гей-Люссактың жұмыстары
Физиктер дауыстары қарлыққанша дауласуды жалғастыра береді немесе Джон Далтон болмаса, өлшемдерден бас тартар еді. Ол және басқа физик Гей-Люссак бір уақытта бірдей өлшеу нәтижелерін дербес ала алды.
Люссак әртүрлі нәтижелердің себебін табуға тырысты және эксперимент кезінде кейбір құрылғыларда су бар екенін байқады. Әрине, қыздыру процесінде ол буға айналып, зерттелетін газдардың мөлшері мен құрамын өзгертті. Сондықтан ғалымның ең бірінші жасағаны – тәжірибе жүргізуге пайдаланған барлық аспаптарды жақсылап кептіріп, зерттелетін газдың құрамындағы ылғалдың ең аз пайызын да алып тастау болды. Барлық осы манипуляциялардан кейін алғашқы бірнеше эксперимент сенімдірек болды.
Дальтон бұл мәселені ұзағырақ қарастырдыоның әріптесі және нәтижелерін 19 ғасырдың басында жариялады. Ол күкірт қышқылының буымен ауаны кептірді, содан кейін оны қыздырды. Бірқатар тәжірибелерден кейін Джон барлық газдар мен бу 0,376 есе кеңейеді деген қорытындыға келді. Люссак 0,375 санын алды. Бұл зерттеудің ресми нәтижесі болды.
Су буының серпімділігі
Газдардың термиялық кеңеюі олардың серпімділігіне, яғни бастапқы көлеміне оралу мүмкіндігіне байланысты. Циглер бұл мәселені XVIII ғасырдың ортасында алғаш зерттеген. Бірақ оның эксперименттерінің нәтижелері тым әртүрлі болды. Неғұрлым сенімді сандарды Джеймс Уотт жоғары температура үшін қазанды және төмен температура үшін барометрді пайдаланған.
18 ғасырдың аяғында француз физигі Прони газдардың серпімділігін сипаттайтын бір формуланы шығаруға әрекеттенді, бірақ ол тым ауыр және пайдалану қиын болып шықты. Далтон бұл үшін сифон барометрін пайдаланып, барлық есептеулерді эмпирикалық түрде сынап көруді ұйғарды. Барлық эксперименттерде температураның бірдей болмағанына қарамастан, нәтижелер өте дәл болды. Сондықтан ол оларды физика оқулығында кесте ретінде жариялады.
Булану теориясы
Газдардың термиялық кеңеюі (физикалық теория ретінде) әртүрлі өзгерістерге ұшырады. Ғалымдар бу шығарылатын процестердің түбіне жетуге тырысты. Мұнда тағы да белгілі физик Дальтон ерекшеленді. Ол осы резервуарда бар-жоғына қарамастан, кез келген кеңістік газ буымен қаныққан деген гипотеза жасады.(бөлме) кез келген басқа газ немесе бу. Демек, атмосфералық ауамен жанасу арқылы сұйықтық жай буланбайды деген қорытынды жасауға болады.
Сұйықтық бетіндегі ауа колоннасының қысымы атомдар арасындағы кеңістікті ұлғайтып, оларды үзіп, буландырады, яғни будың пайда болуына ықпал етеді. Бірақ ауырлық күші бу молекулаларына әсер етуді жалғастыруда, сондықтан ғалымдар атмосфералық қысымның сұйықтықтардың булануына әсер етпейтінін есептеді.
Сұйықтықтардың кеңеюі
Сұйықтардың жылулық кеңеюі газдардың кеңеюімен қатар зерттелді. Сол ғалымдар ғылыми зерттеулермен айналысты. Ол үшін олар термометрлерді, аэрометрлерді, байланыс ыдыстарын және басқа құралдарды пайдаланды.
Барлық тәжірибелер бірге және әрқайсысы бөлек Дальтонның біртекті сұйықтықтар қыздырылған температураның квадратына пропорционалды кеңейеді деген теориясын жоққа шығарды. Әрине, температура неғұрлым жоғары болса, сұйықтық көлемі соғұрлым көп болады, бірақ оның арасында тікелей байланыс болмады. Иә, және барлық сұйықтықтардың кеңею жылдамдығы әртүрлі болды.
Судың термиялық кеңеюі, мысалы, Цельсий бойынша нөл градустан басталып, температура төмендеген сайын жалғасады. Бұрын тәжірибелердің мұндай нәтижелері судың өзі емес, ол орналасқан ыдыстың тарылуымен байланысты болды. Бірақ біраз уақыттан кейін физик Делука соған қарамастан себебін сұйықтықтың өзінен іздеу керек деген қорытындыға келді. Ол ең үлкен тығыздықтың температурасын табуды шешті. Алайда салғырттықтың кесірінен үлгере алмадыкейбір мәліметтер. Бұл құбылысты зерттеген Рамфорт судың максималды тығыздығы Цельсий бойынша 4-5 градус аралығында байқалатынын анықтады.
Денелердің термиялық кеңеюі
Қатты денелерде кеңеюдің негізгі механизмі кристалдық тордың тербеліс амплитудасының өзгеруі болып табылады. Қарапайым сөзбен айтқанда, материалды құрайтын және бір-бірімен тығыз байланысқан атомдар «дірілдей» бастайды.
Денелердің жылулық кеңею заңы былай тұжырымдалған: сызықтық өлшемі L кез келген дене dT қыздыру процесінде (дельта T – бастапқы температура мен соңғы температура арасындағы айырмашылық), dL кеңейеді. (дельта L – объектінің ұзындығы мен температура айырмашылығы бойынша сызықтық термиялық кеңею коэффициентінің туындысы). Бұл әдепкі бойынша дененің бірден барлық бағытта кеңейетінін ескеретін осы заңның ең қарапайым нұсқасы. Бірақ практикалық жұмыс үшін әлдеқайда қиын есептеулер қолданылады, өйткені шын мәнінде материалдар физиктер мен математиктер модельдегеннен басқаша әрекет етеді.
Рельстің термиялық кеңеюі
Физик-инженерлер теміржол жолын төсеуге әрқашан қатысады, өйткені олар қыздырылған немесе салқындатылған кезде жолдар деформацияланбауы үшін рельс тораптары арасындағы қашықтықты дәл есептей алады.
Жоғарыда айтылғандай, термиялық сызықтық кеңею барлық қатты заттарға қолданылады. Ал рельс те ерекшелік емес. Бірақ бір деталь бар. Сызықтық өзгерісденеге үйкеліс күші әсер етпесе, еркін пайда болады. Рельстер шпалдарға қатты бекітіліп, іргелес рельстерге дәнекерленген, сондықтан ұзындықтың өзгеруін сипаттайтын заң сызықтық және түйіспе кедергілер түріндегі кедергілерді еңсеруді ескереді.
Егер рельс ұзындығын өзгерте алмаса, температураның өзгеруімен ондағы термиялық кернеу артады, ол оны созып та, қысады. Бұл құбылыс Гук заңымен сипатталған.
