انبساط حجمی: وقتی مواد با دما بزرگ می‌شوند
انبساط حجمی چیست؟
اگر تا به حال شاهد بوده‌اید که یک بالون پر از هوا در یک روز گرم، بزرگ‌تر به نظر میرسد، یا وقتی درب شیشه‌ی مربا محکم است، با ریختن آب گرم روی آن راحت‌تر باز می‌شود، در واقع پدیده‌ی انبساط حجمی را دیده‌اید. انبساط حجمی به افزایش حجم یک ماده (جامد، مایع یا گاز) هنگامی که دمای آن افزایش می‌یابد، گفته می‌شود. عکس این پدیده نیز صادق است؛ یعنی با کاهش دما، حجم ماده کاهش می‌یابد که به آن انقباض۳ می‌گویند.
دلیل اصلی این پدیده به حرکت ذرات تشکیل‌دهنده‌ی ماده برمی‌گردد. وقتی ماده‌ای گرم می‌شود، انرژی ذرات آن افزایش یافته و آن‌ها با سرعت و دامنه‌ی بیشتری شروع به نوسان و حرکت می‌کنند. این حرکت شدیدتر باعث می‌شود ذرات میانگین فاصله‌ی بیشتری از یکدیگر بگیرند و در نتیجه، کل ماده حجم بیشتری را اشغال کند.
تغییر حجم یک ماده با رابطه‌ی زیر محاسبه می‌شود: $\Delta V = \beta V_0 \Delta T$ که در آن:
• $\Delta V$ = تغییر حجم
• $\beta$ = ضریب انبساط حجمی ماده
• $V_0$ = حجم اولیه
• $\Delta T$ = تغییر دما
انبساط در مواد مختلف: جامدات، مایعات و گازها
میزان انبساط مواد مختلف، یکسان نیست. به طور کلی، گازها بیشترین انبساط و جامدات کمترین انبساط را تجربه می‌کنند. مایعات نیز در میانه‌ی این طیف قرار دارند. جدول زیر مقایسه‌ای از ضریب انبساط حجمی برخی مواد متداول را نشان می‌دهد.
| نوع ماده | مثال | ضریب انبساط حجمی (β) بر حسب $K^{-1}$ | میزان انبساط |
|---|---|---|---|
| گاز | هوا | $3.4 \times 10^{-3}$ | بسیار زیاد |
| مایع | بنزین | $9.5 \times 10^{-4}$ | زیاد |
| مایع | جیوه | $1.8 \times 10^{-4}$ | متوسط |
| جامد | مس | $5.1 \times 10^{-5}$ | کم |
| جامد | شیشه (پیرکس) | $1.2 \times 10^{-5}$ | بسیار کم |
کاربردهای انبساط حجمی در فناوری و طبیعت
مهندسان و دانشمندان از این پدیده در طراحی بسیاری از ابزارها و سازه‌ها استفاده می‌کنند. یک مثال ساده، ترمومتر۴ (دماسنج) جیوه‌ای یا الکلی است. با افزایش دما، مایع داخل مخزن دماسنج منبسط شده و در لوله‌ی باریک بالا می‌رود. میزان این ارتفاع، متناسب با دما است.
مثال دیگر، ترموستات۵های مکانیکی قدیمی هستند. در بسیاری از آن‌ها از دو نوار فلزی متفاوت (مثلاً آهن و برنج) که به هم چسبانده شده‌اند (بی‌متال۶) استفاده می‌شود. چون این دو فلز ضریب انبساط متفاوتی دارند، هنگام گرم یا سرد شدن، نوار به یک سمت خم می‌شود و یک کلید الکتریکی را قطع یا وصل می‌کند تا سیستم گرمایش یا سرمایش را کنترل کند.
در طبیعت نیز این پدیده مشاهده می‌شود. ترک‌خوردن سنگ‌ها در بیابان به دلیل چرخه‌های مکرر گرم شدن در روز و سرد شدن در شب، نمونه‌ای از تنش‌های ناشی از انبساط و انقباض ناموزون است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر، آب یک استثنای بسیار مهم است. آب در دمای 4 درجه‌ی سلسیوس بیشترین چگالی را دارد. وقتی از این دما سردتر می‌شود (تا نقطه‌ی انجماد)، برخلاف انتظار منبسط می‌شود. به همین دلیل یخ روی آب شناور می‌ماند و این ویژگی برای حیات در کره‌ی زمین ضروری است.
اگر این فاصله‌ها وجود نداشته باشند، در روزهای گرم تابستان که فلز ریل یا پل منبسط می‌شود، به یکدیگر فشار آورده و دچار کمانش۷ و تخریب می‌شوند. این درزها فضای لازم برای انبساط بی‌ضرر را فراهم می‌کنند.
بله، در شرایط یکسان (فشار ثابت)، تمام گازهای ایده‌آل۸ ضریب انبساط حجمی یکسانی دارند که تقریباً برابر با $\frac{1}{273} \, ^\circ C^{-1}$ است. این یکی از قوانین مهم گازها است.
پاورقی
۱ Volume Expansion
۲ Coefficient of Volume Expansion
۳ Contraction
۴ Thermometer
۵ Thermostat
۶ Bimetal
۷ Buckling
۸ Ideal Gases
