انبساط طولی: وقتی مواد با دما قد می‌کشند!
انبساط طولی چیست؟
همه‌ی مواد اطراف ما از ذرات ریزی به نام اتم و مولکول ساخته شده‌اند. این ذرات همیشه در حال جنبش و لرزش هستند. وقتی به ماده‌ای گرما می‌دهیم، انرژی ذرات آن افزایش یافته و با شدت بیشتری به یکدیگر برخورد می‌کنند. این برخوردهای پرانرژی باعث می‌شود فاصله‌ی میان ذرات کمی بیشتر شود. در مواد جامد که شکل ثابتی دارند، این افزایش فاصله در مجموع به صورت افزایش طول جسم خود را نشان می‌دهد. به این پدیده انبساط طولی می‌گویند. برعکس، وقتی یک جسم سرد می‌شود، انرژی ذرات کم شده و فاصله‌ی بین آن‌ها کاهش می‌یابد که باعث انقباض3 یا کوتاه‌تر شدن جسم می‌شود.
یک آزمایش ساده: یک بطری شیشه‌ای که درب فلزی آن به سختی باز می‌شود را در نظر بگیرید. اگر درب فلزی را زیر آب گرم بگیرید، به راحتی باز می‌شود. چرا؟ زیرا فلز سریع‌تر از شیشه منبسط می‌شود و در نتیجه پیچ آن شل می‌شود.
فرمول ریاضی انبساط طولی
برای محاسبه‌ی دقیق تغییر طول یک ماده، از یک فرمول ساده استفاده می‌کنیم. این فرمول به ما می‌گوید یک میله به ازای هر درجه تغییر دما، چقدر تغییر طول خواهد داشت.
در این فرمول:
ΔL: تغییر طول جسم (می‌تواند افزایش یا کاهش باشد).
α: ضریب انبساط طولی ماده. این عدد برای هر ماده‌ای متفاوت است و نشان می‌دهد آن ماده چقدر تمایل به انبساط دارد.
L₀: طول اولیه‌ی جسم قبل از تغییر دما.
ΔT: تغییر دما (دمای نهایی منهای دمای اولیه).
مثال عددی: فرض کنید یک ریل آهنی به طول 10 متر (L₀) در زمستان در دمای 0 درجه سانتی‌گراد قرار دارد. اگر در تابستان دمای آن به 40 درجه برسد (ΔT = 40)، و ضریب انبساط آهن 1.2 × 10⁻⁵ بر درجه سانتی‌گراد باشد، تغییر طول آن چقدر است؟
$\Delta L = (1.2 \times 10^{-5}) \times 10 \times 40 = 0.0048\ meters$
یعنی ریل حدود 4.8 میلی‌متر بلندتر می‌شود. به همین دلیل است که بین ریل‌های قطار فاصله می‌گذارند!
مقایسه ضریب انبساط طولی مواد مختلف
همه‌ی مواد به یک اندازه منبسط نمی‌شوند. این تفاوت را با عددی به نام ضریب انبساط طولی نشان می‌دهیم. هر چه این عدد برای یک ماده بزرگ‌تر باشد، آن ماده در برابر تغییر دما حساستر است و تغییر طول بیشتری دارد.
| نام ماده | ضریب انبساط طولی (بر درجه سانتی‌گراد) | ویژگی |
|---|---|---|
| آلومینیوم | 2.4 × 10⁻⁵ | انبساط زیاد |
| مس | 1.7 × 10⁻⁵ | انبساط متوسط |
| شیشه (معمولی) | 0.9 × 10⁻⁵ | انبساط کم |
| اینوار (آلیاژ خاص) | 0.04 × 10⁻⁵ | انبساط بسیار ناچیز |
کاربردهای انبساط طولی در فناوری و زندگی
مهندسان و دانشمندان از این پدیده نه تنها برای جلوگیری از خرابی، بلکه برای ساخت ابزارهای مفید استفاده می‌کنند.
ترموستات‌های مکانیکی: در بسیاری از بخاری‌های قدیمی، یک نوار دو فلزی وجود دارد. این نوار از دو فلز (مثلاً آهن و برنج) که ضرایب انبساط متفاوتی دارند، به هم چسبیده‌اند. وقتی دما افزایش می‌یابد، فلزی که بیشتر منبسط می‌شود (برنج)، باعث خم شدن نوار به سمت فلز دیگر می‌شود. این خم شدن یک کلید الکتریکی را قطع یا وصل می‌کند و بدین ترتیب دما را کنترل می‌نماید.
ساخت پل‌ها و ساختمان‌ها: همان‌طور که در مثال ریل قطار دیدیم، در سازه‌های بزرگ مانند پل‌ها، باید فضا برای انبساط و انقباض در نظر گرفته شود. به همین دلیل در انتهای پل‌های بلند، "درز انبساط"4 می‌گذارند. اگر این درزها وجود نداشته باشند، نیروی عظیم ناشی از انبساط می‌تواند به سازه آسیب بزند.
بستن محکم چرخ‌ها: چرخ‌های قطار، ماشین‌های سنگین و برخی ابزارها را اغلب گرم می‌کنند و سپس روی محور سرد سوار می‌کنند. وقتی فلز چرخ سرد می‌شود و منقبض می‌گردد، به طور بسیار محکمی روی محور می‌نشیند که به این روش "نصب با انقباض"5 می‌گویند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. همه‌ی مواد (جامدات، مایعات و گازها) با تغییر دما منبسط یا منقبض می‌شوند. اما میزان این انبساط در مواد مختلف، متفاوت است. فلزات معمولاً انبساط قابل ملاحظه‌ای دارند، در حالی که انبساط پلاستیک‌ها و شیشه‌های معمولی کمتر است.
وقتی آب جوش را در شیشه می‌ریزیم، لایه‌ی داخلی شیشه سریع گرم شده و منبسط می‌شود. اما لایه‌ی خارجی هنوز سرد است و فرصت کافی برای انبساط ندارد. این تنش نابرابر بین لایه‌های داخلی و خارجی می‌تواند باعث ترک خوردن شیشه شود. شیشه‌های "مقاوم در برابر حرارت" (مانند پیرکس) ضریب انبساط بسیار پایینی دارند و در برابر این شوک حرارتی مقاوم‌ترند.
اصلاً این‌طور نیست! همان‌طور که دیدیم، از این پدیده در ترموستات‌ها، نصب چرخ‌های قطار و حتی در دماسنج‌های قدیمی (دماسنج‌های میله‌ای) استفاده می‌شود. نکته کلیدی، شناخت و مدیریت این پدیده است.
پاورقی
1انبساط طولی (Linear Expansion): تغییر در طول یک بعدی یک جسم جامد در پاسخ به تغییر دما.
2ضریب انبساط طولی (Coefficient of Linear Expansion): یک مقدار ثابت برای هر ماده که میزان تغییر طول آن ماده به ازای هر درجه تغییر دما را نشان می‌دهد.
3انقباض (Contraction): کاهش ابعاد یک ماده در اثر کاهش دما.
4درز انبساط (Expansion Joint): یک شکاف طراحی شده در سازه‌های مهندسی (مانند پل‌ها و ساختمان‌ها) برای اجازه دادن به انبساط و انقباض مواد بدون ایجاد آسیب.
5نصب با انقباض (Shrink Fit): یک روش مونتاژ مکانیکی که در آن از انقباض ناشی از سرد کردن یک قطعه برای اتصال محکم آن به قطعه دیگر استفاده می‌شود.
