Rozszerzalność cieplna cieczy i ciał stałych


Przy odległościach między atomami rzędu 10-10 m (tej samej co rozmiary atomów) chmury elektronowe różnych atomów nakładają się na siebie i sytuacja się komplikuje. Oddziaływanie zależy od tego, z jakimi atomami mamy do czynienia. Niektóre atomy mogą wchodzić w reakcje chemiczne i charakter tych sił jest przyciągający. Między atomami nie wchodzącymi w reakcje chemiczne siły oddziaływania na małych odległościach mają charakter silnie odpychający. Siła ta jeszcze bardziej zależy od odległości i jest odwrotnie proporcjonalna do potęgi większej niż osiem odległości między atomami, czyli jest jeszcze bardziej krótkozasięgowa.
![]() |
Zależność energii potencjalnej oddziaływania atomów od odległości
E1 - energia potencjalna związana z przyciąganiem, E2 - energia potencjalna wynikająca z odpychania, E3 - energia całkowita |
Powyższy opis jest bardzo uproszczony ponieważ pełna teoria sił międzycząsteczkowych może być zbudowana tylko na bazie mechaniki kwantowej (ruch elektronów w atomie traktujemy jako falocząstki czyli cząstki z uwzględnieniem ich właściwości falowych). W analizie należy uwzględnić fakt, że każda cząsteczka oddziałuje z wieloma cząsteczkami równocześnie i w ciałach stałych występują różne typy wiązań krystalicznych. Wykres może być nieco inny w różnych przypadkach ale zawsze występuje minimum energii i wykres jest niesymetryczny.

Ilościowo rozszerzalność liniową ciał stałych charakteryzuje się podając dla danej substancji liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej (podaje on o jaką część długości początkowej zwiększa się długość ciała stałego gdy temperatura wzrasta o 1°C). W przypadku ciał izotropowych (mających jednakowe własności we wszystkich kierunkach) liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej jest taki sam we wszystkich kierunkach. Dla scharakteryzowania własność ciała anizotropowego (różne własności w różnych kierunkach) trzeba znać wartości liniowego współczynnika rozszerzalności cieplnej w dwóch (w przypadku kryształów jednoosiowych) lub trzech (w przypadku kryształów dwuosiowych) odpowiednich kierunkach. O zmianie objętości substancji informuje objętościowy współczynnik rozszerzalności cieplnej (określa on o jaką część objętości początkowej zwiększa się objętość substancji gdy temperatura wzrasta o 1°C). Jego wartość jest trzykrotnie większa od współczynnika liniowego.
Zjawisko rozszerzalności trzeba uwzględnić we wszelkich pracach inżynierskich, gdyż elementy konstrukcyjne mają inne rozmiary latem i zimą i znalazło wykorzystanie w wielu przyrządach. Przykładowo rozszerzalność cieczy (najczęściej zabarwionego alkoholu lub rtęci) wykorzystano w termometrach cieczowych.
![]() |
Przerwy dylatacyjne w konstrukcji mostu
|
![]() |
Przerwy dylatacyjne między szynami
|
Każdy metal rozszerza się inaczej. Element wykonany z dwóch metali różniących się rozszerzalnością cieplną nazywamy bimetalem. Po podgrzaniu bimetal wygina się ponieważ jeden z metali bardziej wydłuża się niż drugi. Wykorzystuje się to
![]() |
Czujnik automatycznego regulowania od żelazka
|
Pracę czujnika przedstawiamy na przykładzie żelazka. Czujnik włącza prąd w grzejniku żelazka, gdy jego temperatura osiągnie zadaną wartość. Gdy bimetaliczny pasek nagrzeje się, jego wygięcie sprawi, że obwód elektryczny zostanie przerwany. Po krótkim czasie, gdy pasek ostygnie obwód zostanie zamknięty i grzałka ponownie rozgrzeje żelazko.
Literatura:
Jan Blinowski, Jarosław Trylski, Fizyka dla kandydatów na wyższe uczelnie,
Podręcznik dla gimnazjum wydawnictwa Nowa Era - moduł 1.
« Poprzednia |