انبساط گرمایی: وقتی مواد با گرما بزرگ می‌شوند
انبساط گرمایی چیست و چرا رخ می‌دهد؟
فرض کنید یک میله فلزی دارید. اگر این میله را حرارت دهیم، طول آن افزایش می‌یابد. به این پدیده، انبساط گرمایی می‌گویند. اما دلیل علمی این اتفاق چیست؟ پاسخ در رفتار ذرات تشکیل‌دهنده ماده نهفته است.
همه مواد از ذرات بسیار ریزی مانند اتم‌ها و مولکول‌ها ساخته شده‌اند که این ذرات به طور دائم در حال جنبش و ارتعاش هستند. وقتی به ماده‌ای گرما می‌دهیم، در واقع انرژی جنبشی این ذرات را افزایش می‌دهیم. با افزایش انرژی، ذرات با سرعت بیشتری شروع به نوسان کرده و دامنه ارتعاش آن‌ها بیشتر می‌شود. در نتیجه، هر ذره فضای بیشتری نسبت به قبل اشغال می‌کند و این امر در مقیاس بزرگ‌تر، به افزایش ابعاد کل ماده منجر می‌شود.
انواع انبساط گرمایی در مواد مختلف
انبساط گرمایی در مواد مختلف، به یک اندازه و به یک شکل رخ نمی‌دهد. این پدیده را می‌توان به سه دسته اصلی تقسیم کرد:
| نوع ماده | نوع انبساط | توضیح | مثال |
|---|---|---|---|
| جامدات | انبساط خطی، سطحی و حجمی | در جامدات، انبساط می‌تواند در یک بعد (طول)، دو بعد (مساحت) یا سه بعد (حجم) اتفاق بیفتد. پیوندهای محکم بین ذرات، میزان انبساط را محدود می‌کند. | افزایش طول ریل‌های قطار در تابستان |
| مایعات | انبساط حجمی | مایعات شکل ظرف خود را می‌گیرند، بنابراین انبساط آن‌ها فقط به صورت افزایش حجم کل مشاهده می‌شود. | بالا آمدن سطح الکل یا جیوه در دماسنج |
| گازها | انبساط حجمی (بسیار بیشتر) | ذرات گازها آزادانه حرکت می‌کنند و فاصله زیادی از هم دارند. با گرم شدن، این فاصله به شدت افزایش یافته و گاز به مقدار قابل توجهی منبسط می‌شود. | باد شدن بادکنک در هوای گرم یا ترکیدن قوطی اسپری در آتش |
میزان انبساط مواد مختلف با یکدیگر فرق دارد. به عنوان مثال، فلزاتی مانند مس و آلومینیوم نسبت به آهن انبساط بیشتری دارند. برای مقایسه کمی این رفتار، از مفهومی به نام "ضریب انبساط حرارتی"۲ استفاده می‌کنیم. این ضریب نشان می‌دهد که یک ماده به ازای هر درجه سانتی‌گراد افزایش دما، چه مقدار منبسط می‌شود.
کاربردهای هوشمندانه انبساط گرمایی در فناوری
مهندسان و دانشمندان نه تنها برای کنترل اثرات انبساط گرمایی راه‌حل پیدا کرده‌اند، بلکه از این پدیده برای ساخت وسایل مفید بسیاری استفاده می‌کنند.
دماسنج‌ها: پرکاربردترین مثال هستند. در دماسنج جیوه‌ای یا الکلی، مایع داخل مخزن با گرم شدن، منبسط شده و در لوله باریک بالا می‌رود. میزان این بالا آمدن، متناسب با دمای محیط است.
ترموستات‌های دو فلزی: در بسیاری از وسایل گرمایشی و سرمایشی از یک نوار دو فلزی استفاده می‌شود. این نوار از دو فلز مختلف (مانند آهن و برنج) که به هم چسبانده شده‌اند، تشکیل شده است. از آنجا که این دو فلز ضریب انبساط متفاوتی دارند، با تغییر دما یکی بیشتر از دیگری منبسط شده و باعث خم شدن نوار می‌شود. این خم شدن می‌تواند یک مدار الکتریکی را قطع یا وصل کند و دستگاه را خاموش یا روشن نماید.
بستن درب شیشه‌ای بطری: برای محکم بستن درب فلزی بطری‌های شیشه‌ای، ابتدا درب را حرارت می‌دهند. درب فلزی در اثر گرما منبسط می‌شود و به راحتی روی بطری قرار می‌گیرد. وقتی درب سرد می‌شود، منقبض شده و به طور بسیار محکمی بطری را می‌بندد.
کنترل اثرات منفی انبساط گرمایی
اگر به انبساط گرمایی توجه نشود، می‌تواند مشکلات بزرگی ایجاد کند. برای جلوگیری از این مشکلات، راهکارهای مختلفی ابداع شده است.
| مشکل | راهکار مهندسی | توضیح |
|---|---|---|
| خم شدن یا شکستن ریل‌های قطار | ایجاد فاصله (درز انبساط) بین ریل‌ها | بین قطعات ریل، فاصله‌ای کوچک در نظر گرفته می‌شود تا ریل در روزهای گرم فضای کافی برای انبساط داشته باشد و دچار اعوجاج نشود. |
| ترکیدن لوله‌های آب در زمستان | عایق‌بندی لوله‌ها | آب بر خلاف بسیاری از مواد، هنگام یخ زدن منبسط می‌شود. اگر آب درون لوله یخ بزند، این انبساط می‌تواند لوله را بترکاند. عایق‌بندی از یخ زدن آب جلوگیری می‌کند. |
| شکستن شیشه با مایع داغ | استفاده از شیشه‌های مقاوم در برابر حرارت (مانند پیرکس) | شیشه معمولی ضریب انبساط بالایی دارد و اگر یک طرف آن ناگهان گرم و طرف دیگر سرد بماند، به دلیل تنش داخلی می‌شکند. شیشه پیرکس ضریب انبساط بسیار پایینی دارد. |
پرسش‌های متداول و اشتباهات رایج
پاورقی
۱ انبساط گرمایی (Thermal Expansion)
۲ ضریب انبساط حرارتی (Coefficient of Thermal Expansion)
۳ اینوار (Invar) یک آلیاژ آهن-نیکل با ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین است.
