انبساط حرارتی: وقتی گرما اجسام را بزرگ‌تر می‌کند
انبساط حرارتی چیست و چرا رخ می‌دهد؟
همه مواد از ذرات بسیار ریزی به نام اتم2 و مولکول3 ساخته شده‌اند. این ذرات به طور دائم در حال جنبش و لرزش هستند. وقتی به یک جسم گرما می‌دهیم، انرژی این ذرات افزایش می‌یابد و در نتیجه، آن‌ها با شدت و دامنه بیشتری شروع به لرزش و حرکت می‌کنند. این حرکت شدیدتر باعث می‌شود که ذرات از یکدیگر فاصله بگیرند. در مقیاس بزرگ‌تر، این فاصله‌گیری میان تمام ذرات جسم، خود را به صورت افزایش اندازه کل جسم نشان می‌دهد. به این پدیده، انبساط حرارتی می‌گویند.
در این فرمول:
$\Delta L$ = مقدار افزایش طول
$L_0$ = طول اولیه جسم
$\alpha$ = ضریب انبساط خطی ماده (یک عدد ثابت برای هر ماده)
$\Delta T$ = مقدار تغییر دما
انواع انبساط حرارتی
انبساط حرارتی بسته به اینکه کدام بعد از جسم تغییر کند، به سه دسته اصلی تقسیم می‌شود:
| نوع انبساط | توضیح | مثال ملموس |
|---|---|---|
| انبساط خطی4 | افزایش طول یک جسم در یک جهت (مثلاً فقط در طول). این نوع انبساط در اجسام میله‌ای شکل و بلند بیشتر به چشم می‌آید. | شل شدن سیم‌های برق در تابستان، درزهای بین ریل‌های قطار |
| انبساط سطحی5 | افزایش مساحت یک جسم دو بعدی (مانند یک صفحه). در این حالت، هم طول و هم عرض جسم افزایش می‌یابد. | بزرگ شدن صفحه فلزی یک پل در هوای گرم، باز شدن درب یک قاب عکس فلزی که بیرون آوردن عکس را سخت می‌کند |
| انبساط حجمی6 | افزایش حجم یک جسم سه بعدی. در این حالت، طول، عرض و ارتفاع جسم همزمان افزایش پیدا می‌کنند. این نوع انبساط در مایعات و گازها بسیار مشهود است. | بالا آمدن سطح مایع در یک دماسنج جیوه‌ای، سر ریز شدن بنزین از باک خودرو در یک روز بسیار گرم |
انبساط در مواد مختلف: جامدات، مایعات و گازها
میزان انبساط مواد مختلف با یکدیگر فرق می‌کند. به طور کلی، ترتیب انبساط مواد به این صورت است:
گازها > مایعات > جامدات
یعنی گازها در برابر گرما بیشتر از مایعات منبسط می‌شوند و مایعات نیز بیشتر از جامدات. دلیل این امر، میزان پیوند بین مولکول‌ها در هر حالت از ماده است. پیوند بین مولکول‌ها در جامدات بسیار قوی، در مایعات ضعیف‌تر و در گازها تقریباً ناچیز است. بنابراین، مولکول‌های یک گاز به راحتی و به مقدار زیادی از هم فاصله می‌گیرند.
انبساط حرارتی در خدمت انسان
مهندسان و دانشمندان نه تنها از مشکلات ناشی از انبساط حرارتی جلوگیری می‌کنند، بلکه از آن به نفع خود نیز استفاده می‌کنند. در اینجا به چند نمونه عملی اشاره می‌کنیم:
- ترمومتر (دماسنج): اساس کار بیشتر دماسنج‌ها بر پایه انبساط حجمی مایعات است. با افزایش دما، مایع داخل مخزن دماسنج (مانند جیوه یا الکل رنگی) منبسط می‌شود و در لوله باریک بالایی بالا می‌آید. عددی که در مقابل سطح مایع خوانده می‌شود، نشان‌دهنده دمای محیط است.
- اتصال چرخ‌های قطار: چرخ‌های قطار از یک بخش فولادی داخلی و یک رینگ فولادی خارجی ساخته می‌شوند. رینگ خارجی را ابتدا گرم می‌کنند تا منبسط شود و به راحتی روی بخش داخلی سرد قرار گیرد. وقتی رینگ سرد می‌شود، منقبض شده و یک اتصال بسیار محکم و دائمی ایجاد می‌کند.
- شیر حرارتی خودکار: در برخی سیستم‌های گرمایشی، از یک نوار دو فلزی استفاده می‌شود. این نوار از دو فلز مختلف که ضریب انبساط متفاوتی دارند به هم چسبیده‌اند. وقتی دما تغییر می‌کند، یک فلز بیشتر از دیگری منبسط می‌شود و باعث خم شدن نوار می‌شود. این خم شدن می‌تواند یک مدار الکتریکی را قطع یا وصل کند و مانند یک کلید خودکار برای کنترل دما عمل نماید.
راه‌حل‌های هوشمندانه برای یک چالش بزرگ
اگر انبساط حرارتی را در نظر نگیریم، ممکن است فاجعه رخ دهد! تصور کنید ریل‌های قطار که از فولاد ساخته شده‌اند، در فصل گرما منبسط شوند و چون جایی برای گسترش ندارند، خم شده و باعث انحراف و سقوط قطار شوند. برای جلوگیری از این اتفاق، مهندسان چه کار می‌کنند؟
بین ریل‌های قطار فاصله‌ای کوچک می‌گذارند. این فاصله که به آن درز انبساط7 می‌گویند، فضای کافی برای افزایش طول ریل‌ها در روزهای گرم را فراهم می‌کند. این کار یک مثال عالی از مدیریت پدیده انبساط حرارتی است. مثال دیگر، لوله‌کشی ساختمان‌ها است. لوله‌های آب بلند که از پشت بام تا زیرزمین امتداد دارند، در فصل گرما منبسط می‌شوند. اگر به طور ثابت و محکم بسته شده باشند، ممکن است خم شده یا حتی بشکنند. به همین دلیل، لوله‌ها را در بست‌های مخصوصی قرار می‌دهند که امکان حرکت و انبساط کمی را به آن‌ها می‌دهد.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر، این یک قانون کلی است اما استثناهایی هم دارد. معروف ترین استثنا، آب است. آب در دمای بین 0 تا 4 درجه سانتی‌گراد در اثر گرما منقبض می‌شود (به جای انبساط) و حجم آن کاهش می‌یابد. این پدیده غیرعادی، دلیل شناور شدن یخ روی آب و زنده ماندن موجودات آبزی در زمستان است.
پاسخ: سوراخ وسط سمه نیز مانند خود فلز، بزرگ می‌شود. انبساط حرارتی به معنای افزایش کلی ابعاد است. وقتی کل صفحه سکه منبسط شود، قطر سوراخ مرکزی نیز افزایش می‌یابد.
پاسخ: وقتی چای داغ را در لیوان می‌ریزید، بخش داخلی لیوان که مستقیماً با مایع داغ تماس دارد، بلافاصله منبسط می‌شود. اما بخش خارجی لیوان هنوز سرد است و فرصت کافی برای انبساط ندارد. این انبساط ناهمگون در بخش‌های مختلف لیوان، تنش شدیدی ایجاد می‌کند که می‌تواند منجر به ترک خوردن یا حتی شکستن لیوان شود. لیوان‌های نازک‌تر یا لیوان‌های شیشه‌ای مخصوص که ضریب انبساط پایینی دارند، برای این کار مناسب‌ترند.
پاورقی
1انبساط حرارتی (Thermal Expansion): افزایش ابعاد (طول، مساحت یا حجم) یک جسم در اثر افزایش دما.
2اتم (Atom): کوچکترین ذره تشکیل‌دهنده یک عنصر شیمیایی که ویژگی‌های آن عنصر را حفظ می‌کند.
3مولکول (Molecule): کوچکترین ذره یک ماده (خالص) که از دو یا چند اتم به هم پیوسته تشکیل شده و خواص آن ماده را داراست.
4انبساط خطی (Linear Expansion): انبساطی که تنها در یک بعد (طول) رخ می‌دهد.
5انبساط سطحی (Areal Expansion): انبساطی که در دو بعد (طول و عرض) رخ داده و منجر به افزایش مساحت می‌شود.
6انبساط حجمی (Volumetric Expansion): انبساطی که در سه بعد (طول، عرض و ارتفاع) رخ داده و منجر به افزایش حجم می‌شود.
7درز انبساط (Expansion Joint): یک شکاف یا فاصله برنامه‌ریزی شده بین بخش‌های یک سازه (مانند پل یا ریل) برای اجازه دادن به انبساط و انقباض ناشی از تغییر دما.
