انبساط طولی: وقتی گرما، اجسام را کش میآورد
انبساط طولی چیست و چرا اتفاق میافتد؟
همهی مواد از ذرات بسیار ریزی به نام اتم3 و مولکول4 ساخته شدهاند. این ذرات دائماً در حال لرزش و حرکت هستند. وقتی به یک جسم گرما میدهیم، انرژی ذرات آن افزایش مییابد و در نتیجه، با شدت و دامنه بیشتری شروع به نوسان و جنبوجوش میکنند. این حرکت بیشتر باعث میشود ذرات، میانگین فاصلهی بیشتری از هم بگیرند. از آنجایی که این فاصلهگذاری در همهی جهات اتفاق میافتد، در نهایت منجر به افزایش ابعاد جسم میشود. اگر فقط روی افزایش طول جسم تمرکز کنیم، این پدیده را انبساط طولی مینامیم.
برای درک بهتر، یک ریل آهنی بلند را تصور کنید. در روزهای سرد زمستان، طول این ریل کمی کمتر است. اما وقتی در تابستان آفتاب به آن میتابد و گرم میشود، طول آن افزایش مییابد. اگر برای این افزایش طول در طراحی ریل فکری نشده باشد، ممکن است ریل کج شده یا حتی شکسته شود.
ضریب انبساط طولی: عددی که میزان کش آمدن را مشخص میکند
همهی مواد به یک اندازه در اثر گرما منبسط نمیشوند. برای مثال، آلومینیوم خیلی بیشتر از شیشه منبسط میشود. دانشمندان برای اندازهگیری این تفاوت، عددی به نام ضریب انبساط طولی تعریف کردهاند. این ضریب که با نماد یونانی $\alpha$ (آلفا) نشان داده میشود، مشخص میکند که طول یک جسم به ازای هر درجه افزایش دما، چه نسبتی از طول اولیهاش افزایش مییابد.
فرمول محاسبهی تغییر طول به صورت زیر است:
که در آن:
$\Delta L$ : تغییر طول (ممکن است مثبت یا منفی باشد)
$L_0$ : طول اولیه جسم در دمای اولیه
$\alpha$ : ضریب انبساط طولی ماده
$\Delta T$ : تغییر دما
واحد ضریب انبساط طولی، معکوس درجه سلسیوس ($^\circ C^{-1}$) است. مثلاً ضریب انبساط طولی آهن حدود $1.2 \times 10^{-5} \, ^\circ C^{-1}$ است. این عدد بسیار کوچک به ما میگوید که تغییر طول در مقیاسهای کوچک چقدر ناچیز است، اما برای سازههای بسیار بزرگ (مثل پلها) همین عدد کوچک هم میتواند به تغییر طولی در حد چند ده سانتیمتر منجر شود!
| نام ماده | ضریب انبساط طولی (α) بر حسب $^\circ C^{-1}$ | میزان انبساط (نسبتی) |
|---|---|---|
| آلومینیوم | $2.4 \times 10^{-5}$ | زیاد |
| مس | $1.7 \times 10^{-5}$ | متوسط |
| آهن و فولاد | $1.2 \times 10^{-5}$ | متوسط |
| شیشه (معمولی) | $0.9 \times 10^{-5}$ | کم |
| اینوار7 (آلیاژ خاص) | $0.04 \times 10^{-5}$ | خیلی کم |
از ریل قطار تا ترموستات: کاربردهای انبساط طولی در زندگی و فناوری
مهندسان نه تنها باید با انبساط طولی مقابله کنند، بلکه گاهی از آن به نفع خود استفاده میبرند. در اینجا چند نمونه را بررسی میکنیم:
۱. فاصلههای انبساط در پلها و ریلها: اگر به ریلهای قطار یا سطح بتنی پلهای بزرگ دقت کرده باشید، بین قطعات بلند، یک فاصلهی خالی میبینید. این فاصله، درز انبساط8 نام دارد. در تابستان که مواد منبسط میشوند، این فاصله اجازه میدهد مواد به داخل فضای خالی بروند بدون آنکه به هم فشار آورده و باعث تخریب شوند. اگر این درزها وجود نداشتند، پلها میتوانستند خم شده یا ریلها از جای خود بلند شوند.
۲. بستن محکم درپوش شیشهای: گاهی درپوش یک شیشهی فلزی آنقدر محکم است که باز نمیشود. یک روش ساده این است که گردن شیشه را زیر آب گرم بگیریم. فلز (که ضریب انبساط بالاتری دارد) سریعتر و بیشتر از شیشه منبسط میشود و در نتیجه درپوش شل میشود و به راحتی باز میگردد.
۳. ترموستات دو فلزی9: این وسیلهی هوشمند که در بسیاری از دستگاههای گرمایشی و سرمایشی استفاده میشود، مستقیم بر پایهی انبساط طولی کار میکند. ترموستات از دو نوار نازک فلزی (مثلاً آهن و مس) که به هم چسبانده شدهاند، ساخته شده. وقتی دمای محیط افزایش مییابد، هر دو فلز منبسط میشوند، اما چون مس ($\alpha$ بزرگتر) بیشتر از آهن کش میآید، نوار دو فلزی به سمت فلزی که کمتر منبسط شده (آهن) خم میشود. این خم شدن مانند یک کلید عمل کرده و جریان برق را قطع یا وصل میکند تا دما کنترل شود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. مایعات و گازها هم در اثر گرما منبسط میشوند، اما از آنجایی که شکل ثابتی ندارند، صحبت از "تغییر طول" برای آنها چندان معنا ندارد. در مایعات و گازها، انبساط به صورت افزایش حجم مشاهده میشود. مثلاً وقتی الکل داخل دماسنج گرم میشود، حجم آن افزایش یافته و در لولهی باریک بالاتر میرود. با این حال، انبساط در گازها به مراتب بیشتر از مایعات و جامدات است.
پاسخ: بله، دقیقاً. وقتی دمای جسم کاهش مییابد، منقبض میشود. در فرمول $\Delta L = L_0 \times \alpha \times \Delta T$، اگر تغییر دما ($\Delta T$) منفی باشد (یعنی دما کم شده)، تغییر طول ($\Delta L$) نیز منفی خواهد شد که به معنای کاهش طول است. این پدیده را انقباض طولی مینامند. به همین دلیل است که در زمستان ممکن است سیمهای برق بین تیرها مقداری شل به نظر برسند.
پاسخ: قطعاً. اتصال پرچ گرم10 یک مثال کلاسیک و بسیار مهم است. در ساخت کشتیها، پلهای فلزی و اسکلتهای عظیم، قطعات فلزی را با پرچ به هم متصل میکنند. پرچها (میلههای فلزی کوتاه) را ابتدا بسیار داغ میکنند تا منبسط شوند، سپس آنها را در سوراخهای قطعات کار قرار داده و دو سر آن را پلمپ میکنند. وقتی پرچ خنک میشود و منقبض میگردد، با نیروی بسیار زیادی دو صفحه را به سمت هم میکشد و اتصالی فوقالعاده محکم و بدون نیاز به جوشکاری پیچیده ایجاد میکند.
پاورقی
1 انبساط طولی (Linear Thermal Expansion)
2 ضریب انبساط طولی (Coefficient of Linear Expansion)
3 اتم (Atom)
4 مولکول (Molecule)
5 انبساط گرمایی (Thermal Expansion)
6 انبساط حجمی (Volumetric Expansion)
7 اینوار (Invar): آلیاژی از آهن و نیکل با ضریب انبساط بسیار پایین.
8 درز انبساط (Expansion Joint)
9 ترموستات دو فلزی (Bimetallic Thermostat)
10 اتصال پرچ گرم (Hot Riveting)
