انقباض: دنیای مواد در سرما
انقباض چیست و چرا رخ می‌دهد؟
همه مواد از ذرات بسیار ریزی به نام اتم۴ و مولکول۵ ساخته شده‌اند. این ذرات به طور دائم در حال حرکت و لرزش هستند. با افزایش دما، انرژی این ذرات بیشتر شده و با شدت و دامنه بیشتری می‌لرزند و فضای بیشتری را اشغال می‌کنند. برعکس، هنگامی که دما کاهش می‌یابد، انرژی ذرات کم شده، لرزش آن‌ها کاهش یافته و در نتیجه به یکدیگر نزدیک‌تر می‌شوند. این نزدیک‌شدن ذرات، باعث کاهش حجم کلی ماده می‌شود که به آن انقباض می‌گوییم.
یک مثال ساده، قراردادن یک بطری پلاستیکی درُب‌بسته در فریزر است. پس از چند ساعت، متوجه می‌شوید که بدنه بطری فرورفته است. دلیل این امر آن است که هوای داخل بطری سرد شده، مولکول‌های گاز انرژی خود را از دست داده و به هم نزدیک شده‌اند و در نتیجه حجم هوای داخل بطری کاهش یافته است.
مقایسه انقباض در حالت‌های مختلف ماده
میزان انقباض مواد مختلف، یکسان نیست و به حالت فیزیکی ماده (جامد، مایع، گاز) و جنس آن بستگی دارد. به طور کلی، گازها بیشترین میزان انقباض و جامدات کمترین میزان را در برابر تغییر دما از خود نشان می‌دهند.
| حالت ماده | میزان انقباض نسبی | دلیل علمی | مثال |
|---|---|---|---|
| گاز | بسیار زیاد | فاصله زیاد بین مولکول‌ها و نیروی پیوند ضعیف | جمع شدن بادکنک در هوای سرد |
| مایع | متوسط | مولکول‌ها نزدیک‌ترند اما آزادی حرکت دارند | پایین آمدن سطح جیوه در دماسنج |
| جامد | کم | مولکول‌ها در مکان‌های ثابت و با پیوندهای قوی | شل شدن پل فلزی در زمستان |
استثناهای جالب: وقتی انقباض رخ نمی‌دهد!
اگرچه قاعده کلی انقباض با کاهش دما صادق است، اما استثناهای مهمی در طبیعت وجود دارد. معروف‌ترین این استثناها، رفتار غیرعادی آب است. آب در دمای 4 درجه سلسیوس بیشترین چگالی و کمترین حجم را دارد. اگر دمای آب از این نقطه پایین‌تر برود و به سمت یخ زدن برود، برخلاف انتظار منبسط می‌شود. به همین دلیل است که یخ روی آب شناور می‌ماند. این ویژگی برای ادامه حیات در آب‌های سرد ضروری است.
مواد دیگری نیز مانند بیسموت۷ و آنتیموان۸ در هنگام انجماد منبسط می‌شوند.
انقباض در خدمت انسان: از ساخت‌وساز تا پزشکی
مهندسان و دانشمندان از دانش خود درباره انقباض و انبساط مواد در زمینه‌های مختلف استفاده می‌کنند:
ساخت پل‌ها و خطوط ریلی: در اتصالات پل‌های فلزی و ریل‌های قطار، همیشه فاصله‌ای کوچک در نظر گرفته می‌شود. این فاصله، فضای لازم برای انبساط فلز در تابستان و انقباض آن در زمستان را فراهم می‌کند. اگر این فاصله نباشد، نیروی عظیم ناشی از انقباض می‌تواند باعث خم شدن و حتی شکستن سازه شود.
باز کردن درب شیشه‌ای مربا: وقتی درب شیشه‌ای مربا محکم است، با ریختن آب گرم روی درب فلزی آن، فلز سریع‌تر از شیشه منبسط شده و درب شل می‌شود. برعکس، اگر یک قاشق فلزی داغ را روی درب پلاستیکی قرار دهید، پلاستیک منبسط و باز کردن آن راحت‌تر می‌شود.
صنایع پزشکی: در برخی جراحی‌ها، از ابزارهای بسیار سرد برای انقباض موقت بافت‌ها و کاهش خونریزی استفاده می‌شود.
| ماده | ضریب انبساط خطی ($\times 10^{-6} /^\circ C$) | کاربرد بر اساس این ویژگی |
|---|---|---|
| اینوار (آلیاژ) | 0.7 - 1.2 | ساخت ابزار دقیق و سنجش |
| شیشه (پیرکس) | 3.2 | ظروف مقاوم در برابر حرارت |
| آلومینیوم | 23 | رادیاتور خودرو (انتقال سریع گرما) |
| مس | 17 | لوله‌کشی و سیم‌کشی |
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. همانطور که اشاره شد، آب و چند ماده دیگر مانند بیسموت در محدوده خاصی از دما (هنگام انجماد) منبسط می‌شوند. این یک استثنا است و دلیل آن به ساختار کریستالی و پیوندهای شیمیایی خاص این مواد برمی‌گردد.
این کار برای جلوگیری از پارگی سیم‌ها در زمستان است. در هوای سرد، فلز سیم منقبض می‌شود و اگر سیم کاملاً کشیده باشد، نیروی انقباض می‌تواند آن را پاره کند. شل بودن سیم به آن اجازه می‌دهد بدون آسیب دیدن، منقبض شود.
بله. اگر در طراحی سازه‌های بزرگ مانند ساختمان‌ها، پل‌ها یا خطوط لوله، اثر انقباض و انبساط حرارتی در نظر گرفته نشود، می‌تواند منجر به ترک خوردگی، نشتی و حتی فروپاشی بخشی از سازه شود. به همین دلیل محاسبات دقیق مهندسی برای این پدیده حیاتی است.
پاورقی
۱ انقباض (Contraction)
۲ انبساط (Expansion)
۳ ضرایب انبساط (Expansion Coefficients)
۴ اتم (Atom)
۵ مولکول (Molecule)
۶ ضریب انبساط خطی (Linear Expansion Coefficient)
۷ بیسموت (Bismuth)
۸ آنتیموان (Antimony)
