انقباض حرارتی: وقتی سرما، اجسام را کوچک می‌کند!
انقباض حرارتی چیست؟
همه‌ی مواد از ذرات بسیار ریزی به نام اتم2 و مولکول3 ساخته شده‌اند. این ذرات دائماً در حال جنبش و لرزش هستند. وقتی یک جسم گرم می‌شود، این ذرات انرژی بیشتری می‌گیرند و سریع‌تر و با فاصله‌ی بیشتری از هم حرکت می‌کنند. این کار باعث می‌شود جسم منبسط4 شود، یعنی بزرگ‌تر گردد. برعکس، وقتی جسم سرد می‌شود، ذرات آن انرژی خود را از دست می‌دهند، کندتر حرکت می‌کنند و به یکدیگر نزدیک‌تر می‌شوند. این نزدیک‌شدن ذرات است که باعث می‌شود جسم منقبض5 شود یا کوچک‌تر گردد. به این پدیده «انقباض حرارتی» می‌گویند.
انواع انقباض در دنیای اطراف ما
انقباض حرارتی می‌تواند به سه شکل اصلی رخ دهد: کاهش طول، کاهش سطح و کاهش حجم. در جدول زیر مثال‌های ملموسی از هر کدام را مشاهده می‌کنید:
| نوع انقباض | توضیح | مثال عینی |
|---|---|---|
| کاهش طول | کوتاه‌شدن یک بعد از جسم، مانند طول یک میله یا سیم | سیم‌های برق بین دکل‌ها در زمستان شل و آویزان به نظر می‌رسند زیرا در سرما منقبض شده‌اند. |
| کاهش سطح | کوچک‌شدن مساحت یک صفحه یا سطح | در یک روز سرد، درِ فلزی قاب پنجره ممکن است به راحتی بسته شود چون سطح آن کمی کوچک‌تر شده است. |
| کاهش حجم | کم‌شدن فضای کلی که جسم اشغال می‌کند | وقتی هوای داخل یک بادکنک را در فریزر قرار می‌دهید، بادکنک کوچک می‌شود زیرا هوای داخل آن منقبض شده است. |
چگونه از انقباض در زندگی استفاده می‌کنیم؟
مهندسان و سازندگان از دانش انقباض حرارتی برای ساخت وسایل مختلف استفاده می‌کنند. یک مثال ساده، بستن درب بطری‌های فلزی است. گاهی برای محکم بستن درب بطری، آن را زیر آب گرم می‌گیریم. با گرم شدن، فلز درب بطری منبسط می‌شود و به راحتی باز می‌شود. برعکس، برای جااندازی محکم یک قطعه فلزی درون قطعه‌ی دیگر، قطعه داخلی را بسیار سرد می‌کنند تا منقبض شود. سپس آن را در جای خود قرار می‌دهند و با گرم شدن و انبساط، به طور بسیار محکمی در جای خود قفل می‌شود. این روش در ساخت بعضی از موتورها استفاده می‌شود.
نمونه دیگر، شکستن شیشه‌ی داغ است. اگر یک تکه یخ را روی شیشه‌ی داغی که تازه از ماشین ظرفشویی بیرون آمده قرار دهید، قسمت بیرونی شیشه به سرعت سرد و منقبض می‌شود، در حالی که قسمت داخلی هنوز گرم و منبسط است. این تنش ناگهانی می‌تواند باعث ترک خوردن یا حتی شکستن شیشه شود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر، آب یک استثناست! آب در دمای معمولی مانند دیگر مایعات منقبض می‌شود. اما وقتی به دمای 4 درجه سانتی‌گراد میرسد، شروع به انبساط می‌کند تا زمانی که به یخ تبدیل شود. به همین دلیل است که یخ روی آب شناور می‌ماند و این ویژگی برای زندگی در رودخانه‌ها و دریاها بسیار مهم است.
پاسخ: ریل‌های قطعه از فلز ساخته شده‌اند که در تابستان گرم و منبسط می‌شوند. اگر بین آن‌ها فاصله نباشد، انبساط باعث کج‌شدن و بیرون‌زدن ریل‌ها می‌شود که بسیار خطرناک است. این فضا به ریل اجازه می‌دهد بدون آسیب، در تابستان بزرگ و در زمستان کوچک شود.
پاسخ: بیشتر مواد هنگام سرد شدن منقبض می‌شوند، اما برخی مواد خاص، مانند لاستیک طبیعی (لاستیک پاک‌کن)، ممکن است در اثر سرد شدن منبسط شوند! این یک رفتار غیرعادی است و برای اکثر مواد صادق نیست.
پاورقی
1 انقباض حرارتی (Thermal Contraction)
2 اتم (Atom): کوچک‌ترین ذره‌ی یک عنصر که ویژگی‌های شیمیایی آن عنصر را حفظ می‌کند.
3 مولکول (Molecule): کوچک‌ترین ذره‌ی یک ماده خالص که از دو یا چند اتم تشکیل شده و خواص آن ماده را دارد.
4 انبساط (Expansion)
5 انقباض (Contraction)
