انبساط: دنیای مواد در حال گسترش
انبساط چیست و چرا رخ می‌دهد؟
تصور کنید یک مهمانی شلوغ در یک اتاق کوچک دارید. وقتی افراد بیشتری وارد می‌شوند، فضای اتاق شلوغ‌تر و پرازدحام‌تر به نظر میرسد. مولکول‌های تشکیل‌دهندهٔ مواد نیز رفتار مشابهی دارند. وقتی به یک ماده گرما می‌دهیم، انرژی مولکول‌های آن افزایش می‌یابد و آن‌ها با شدت و سرعت بیشتری شروع به حرکت و ارتعاش می‌کنند. این حرکت شدید باعث می‌شود که مولکول‌ها به یکدیگر برخورد کنند و فضای بیشتری از هم فاصله بگیرند. در نتیجه، کل ماده منبسط شده و حجم آن افزایش می‌یابد. این پدیده در گازها بسیار چشمگیر، در مایعات کمتر و در جامدات کم‌ترین میزان را دارد، زیرا نیروهای بین مولکولی در جامدات قوی‌تر هستند.
انبساط در حالت‌های مختلف ماده
همهٔ مواد به یک اندازه منبسط نمی‌شوند. این رفتار به حالت فیزیکی ماده (جامد، مایع، گاز) و ساختار مولکولی آن بستگی دارد.
| حالت ماده | میزان انبساط | دلیل | مثال |
|---|---|---|---|
| گاز | بسیار زیاد | مولکول‌ها آزادانه حرکت کرده و فاصلهٔ زیادی از هم دارند. | باد کردن بادکنک در روز گرم؛ هوای داخل آن منبسط می‌شود. |
| مایع | متوسط | مولکول‌ها می‌لغزند اما هنوز نزدیک به هم هستند. | بالا آمدن سطح الکل در دماسنج. |
| جامد | کم | مولکول‌ها در جای خود ارتعاش می‌کنند و با پیوندهای قیدی به هم متصلند. | انبساط ریل‌های قطار در تابستان. |
انبساط خطی، سطحی و حجمی
انبساط می‌تواند به سه شکل مختلف رخ دهد. وقتی یک میلهٔ فلزی را حرارت می‌دهیم، طول آن افزایش می‌یابد که به آن انبساط خطی۴ می‌گویند. اگر به یک صفحهٔ فلزی نگاه کنیم، با گرم شدن هم طول و هم عرض آن افزایش می‌یابد که منجر به انبساط سطحی۵ می‌شود. در نهایت، یک جسم سه‌بعدی مانند یک مکعب، در تمام ابعاد (طول، عرض، ارتفاع) منبسط شده و انبساط حجمی۶ را نشان می‌دهد. ضریب انبساط سطحی تقریباً دو برابر ضریب خطی و ضریب انبساط حجمی تقریباً سه برابر ضریب خطی است.
انبساط در خدمت انسان و فناوری
مهندسان و دانشمندان با درک کامل انبساط، راه‌هایی برای مهار آن یا استفاده از مزایای آن ابداع کرده‌اند. برای مثال، در ساخت پل‌های فلزی طولانی، قطعات فلزی را روی غلتک‌هایی قرار می‌دهند تا در تابستان بتوانند آزادانه منبسط شده و در زمستان منقبض شوند بدون اینکه به سازه آسیب برسانند. این فاصله‌های تعبیه‌شده بین قطعات پل را درز انبساط۷ می‌نامند. یکی از مثال‌های ساده و قدیمی، ساخت ترموستات‌های مکانیکی با استفاده از نوار دو فلزی است. این نوار از دو فلز مختلف (مانند آهن و برنج) که ضرایب 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 باز یا بسته کند و سیستم گرمایش یا سرمایش را کنترل نماید.
حتی بستن در شیشه‌ای یک شیشهٔ مربا نیز یک مثال روزمره است. اگر در شیشه محکم بسته شده باشد، با گرم کردن ملایم در، فلز در بیشتر از شیشه منبسط می‌شود و به راحتی باز می‌شود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر، این یک قانون کلی است اما استثناهایی هم دارد. معروف‌ترین استثنا آب است. آب در دمای بین 0 تا 4 درجه سانتی‌گراد پس از خنک شدن? برخلاف انتظار منبسط می‌شود (یعنی چگالی آن کاهش می‌یابد). به همین دلیل یخ روی آب شناور می‌ماند که برای حیات آبزیان بسیار حیاتی است.
وقتی مایع داغ را در شیشه می‌ریزیم، لایهٔ داخلی شیشه سریع‌تر از لایهٔ خارجی گرم و منبسط می‌شود. این انبساط ناهمگون باعث ایجاد تنش‌های داخلی شدید در شیشه می‌شود و اگر شیشه تحمل این تنش را نداشته باشد، می‌ترکد. به همین دلیل از ظروف "پیرکس" که ضریب انبساط بسیار پایینی دارند، برای مصارف آزمایشگاه و پخت و پز استفاده می‌شود.
اصلاً اینطور نیست! اگر انبساط نبود، بسیاری از فناوری‌ها غیرممکن می‌شد. ساخت دماسنج‌های جیوه‌ای و الکلی، تولید ترموستات‌ها، نصب ریل‌های قطار به صورت ایمن و حتی روشن کردن لامپ‌های رشته‌ای قدیمی همگی به درک و مدیریت این پدیده وابسته هستند. در لامپ، جریان برق رشتهٔ تنگستن را بسیار داغ می‌کند و باعث انبساط شدید آن می‌شود. اگر این انبساط محاسبه نشده بود، لامپ بلافاصله پس از روشن شدن می‌سوخت.
پدیدهٔ انبساط، یک قانون بنیادی در طبیعت است که نشان می‌دهد با افزایش دما، حجم اغلب مواد افزایش می‌یابد. این پدیده ریشه در افزایش انرژی جنبشی ذرات تشکیل‌دهندهٔ ماده دارد. از انبساط ریل‌های قطار تا طراحی دقیق‌ترین ابزارهای علمی، ردپای این مفهوم ساده اما قدرتمند در سراسر تمدن بشری دیده می‌شود. درک این مفهوم نه تنها به ما در فهم جهان اطراف کمک می‌کند، بلکه پایه‌ای برای نوآوری‌های مهندسی آینده است.
پاورقی
۱ انبساط (Expansion)
۲ انبساط گرمایی (Thermal Expansion)
۳ ضریب انبساط (Coefficient of Expansion)
۴ انبساط خطی (Linear Expansion)
۵ انبساط سطحی (Areal Expansion)
۶ انبساط حجمی (Volumetric Expansion)
۷ درز انبساط (Expansion Joint)
