ცნობილია, რომ სითბოს გავლენით ნაწილაკები აჩქარებენ მათ ქაოტურ მოძრაობას. თუ გაცხელებთ გაზს, მაშინ მისი შემადგენელი მოლეკულები უბრალოდ გაიფანტება ერთმანეთისგან. გახურებული სითხე ჯერ გაიზრდება მოცულობაში, შემდეგ კი დაიწყებს აორთქლებას. რა მოუვა მყარ სხეულებს? ყველა მათგანს არ შეუძლია შეცვალოს თავისი აგრეგაციის მდგომარეობა.
თერმული გაფართოების განმარტება
თერმული გაფართოება არის სხეულის ზომისა და ფორმის ცვლილება ტემპერატურის ცვლილებით. მათემატიკურად შესაძლებელია მოცულობითი გაფართოების კოეფიციენტის გამოთვლა, რაც შესაძლებელს ხდის პროგნოზირებადი აირებისა და სითხეების ქცევის ცვალებად გარე პირობებში. მყარი სხეულებისთვის იგივე შედეგების მისაღებად მხედველობაში უნდა იქნას მიღებული წრფივი გაფართოების კოეფიციენტი. ფიზიკოსებმა გამოყვეს მთელი განყოფილება ამ ტიპის კვლევისთვის და უწოდეს მას დილატომეტრია.
ინჟინერებს და არქიტექტორებს სჭირდებათ ცოდნა სხვადასხვა მასალის ქცევის შესახებ მაღალი და დაბალი ტემპერატურის გავლენის ქვეშ შენობების დიზაინისთვის, გზების და მილების დასამონტაჟებლად.
გაზის გაფართოება
თერმულიაირების გაფართოებას თან ახლავს მათი მოცულობის გაფართოება სივრცეში. ეს შეამჩნიეს ნატურ-ფილოსოფოსებმა ძველ დროში, მაგრამ მხოლოდ თანამედროვე ფიზიკოსებმა მოახერხეს მათემატიკური გამოთვლების აგება.
უპირველეს ყოვლისა, მეცნიერები დაინტერესდნენ ჰაერის გაფართოებით, რადგან მათთვის ეს შესასრულებელი ამოცანა იყო. ისე გულმოდგინედ შეუდგნენ საქმეს, რომ საკმაოდ წინააღმდეგობრივი შედეგები მიიღეს. ბუნებრივია, სამეცნიერო საზოგადოება არ იყო კმაყოფილი ასეთი შედეგით. გაზომვის სიზუსტე დამოკიდებული იყო იმაზე, თუ რომელი თერმომეტრი იყო გამოყენებული, წნევა და სხვა მრავალ პირობებზე. ზოგიერთი ფიზიკოსი კი მივიდა დასკვნამდე, რომ აირების გაფართოება არ არის დამოკიდებული ტემპერატურის ცვლილებებზე. ან ეს დამოკიდებულება არასრულია…
დალტონისა და გეი-ლუსაკის ნაწარმოებები
ფიზიკოსები გააგრძელებდნენ კამათს მანამ, სანამ არ გახდნენ ხმები ან მიატოვებდნენ გაზომვებს, რომ არა ჯონ დალტონი. მან და კიდევ ერთმა ფიზიკოსმა გეი-ლუსაკმა შეძლეს დამოუკიდებლად მიეღოთ გაზომვის იგივე შედეგები ერთდროულად.
Lussac ცდილობდა ეპოვა ამდენი განსხვავებული შედეგის მიზეზი და შენიშნა, რომ ექსპერიმენტის დროს ზოგიერთ მოწყობილობას ჰქონდა წყალი. ბუნებრივია, გაცხელების პროცესში იგი ორთქლად იქცევა და შეცვლილი აირების რაოდენობასა და შემადგენლობას ცვლიდა. მაშასადამე, პირველი, რაც მეცნიერმა გააკეთა, იყო საფუძვლიანად გამშრალი ყველა ინსტრუმენტი, რომელიც გამოიყენა ექსპერიმენტის ჩასატარებლად და გამორიცხა შესწავლილი გაზიდან ტენიანობის მინიმალური პროცენტიც კი. ყველა ამ მანიპულაციის შემდეგ, პირველი რამდენიმე ექსპერიმენტი უფრო საიმედო აღმოჩნდა.
დალტონი ამ საკითხს უფრო დიდხანს ეხებოდამისმა კოლეგამ და შედეგები გამოაქვეყნა მე-19 საუკუნის დასაწყისში. ჰაერი გოგირდმჟავას ორთქლით გააშრო და შემდეგ გაახურა. მთელი რიგი ექსპერიმენტების შემდეგ, ჯონი მივიდა დასკვნამდე, რომ ყველა აირი და ორთქლი ფართოვდება 0,376 კოეფიციენტით. ლუსაკმა მიიღო რიცხვი 0,375. ეს გახდა კვლევის ოფიციალური შედეგი.
წყლის ორთქლის ელასტიურობა
აირების თერმული გაფართოება დამოკიდებულია მათ ელასტიურობაზე, ანუ თავდაპირველ მოცულობაზე დაბრუნების უნარზე. ზიგლერმა პირველმა გამოიკვლია ეს საკითხი მეთვრამეტე საუკუნის შუა ხანებში. მაგრამ მისი ექსპერიმენტების შედეგები ძალიან განსხვავდებოდა. უფრო სანდო მაჩვენებლები მიიღო ჯეიმს უატმა, რომელიც იყენებდა ქვაბს მაღალი ტემპერატურისთვის და ბარომეტრს დაბალი ტემპერატურისთვის.
მე-18 საუკუნის ბოლოს, ფრანგმა ფიზიკოსმა პრონიმ სცადა გამოეყვანა ერთი ფორმულა, რომელიც აღწერდა აირების ელასტიურობას, მაგრამ აღმოჩნდა, რომ ის ძალიან შრომატევადი და ძნელი გამოსაყენებელი იყო. დალტონმა გადაწყვიტა ყველა გამოთვლა ემპირიულად შეემოწმებინა, ამისათვის გამოიყენა სიფონის ბარომეტრი. მიუხედავად იმისა, რომ ტემპერატურა ყველა ექსპერიმენტში არ იყო ერთნაირი, შედეგები ძალიან ზუსტი იყო. ასე რომ, მან გამოაქვეყნა ისინი ცხრილის სახით თავის ფიზიკის სახელმძღვანელოში.
აორთქლების თეორია
აირების თერმული გაფართოება (როგორც ფიზიკური თეორია) განიცადა სხვადასხვა ცვლილებები. მეცნიერები ცდილობდნენ ჩასულიყვნენ ორთქლის წარმოქმნის პროცესებში. აქ კვლავ გამოირჩეოდა ცნობილი ფიზიკოსი დალტონი. მან წამოაყენა ჰიპოთეზა, რომ ნებისმიერი სივრცე გაჯერებულია გაზის ორთქლით, მიუხედავად იმისა, არის თუ არა იგი ამ წყალსაცავში.(ოთახი) ნებისმიერი სხვა გაზი ან ორთქლი. აქედან გამომდინარე, შეიძლება დავასკვნათ, რომ სითხე არ აორთქლდება უბრალოდ ატმოსფერულ ჰაერთან შეხებისას.
ჰაერის სვეტის წნევა სითხის ზედაპირზე ზრდის სივრცეს ატომებს შორის, ანადგურებს მათ და აორთქლდება, ანუ ხელს უწყობს ორთქლის წარმოქმნას. მაგრამ გრავიტაცია აგრძელებს ორთქლის მოლეკულებზე მოქმედებას, ამიტომ მეცნიერებმა გამოთვალეს, რომ ატმოსფერული წნევა არ ახდენს გავლენას სითხეების აორთქლებაზე.
სითხეების გაფართოება
სითხეების თერმული გაფართოება გამოიკვლია აირების გაფართოების პარალელურად. იგივე მეცნიერები ეწეოდნენ სამეცნიერო კვლევებს. ამისათვის მათ გამოიყენეს თერმომეტრები, აერომეტრები, საკომუნიკაციო ხომალდები და სხვა ინსტრუმენტები.
ყველა ექსპერიმენტი ერთად და თითოეულმა ცალ-ცალკე უარყო დალტონის თეორია, რომ ერთგვაროვანი სითხეები ფართოვდებიან იმ ტემპერატურის კვადრატის პროპორციულად, რომელზედაც ისინი თბება. რა თქმა უნდა, რაც უფრო მაღალია ტემპერატურა, მით მეტია სითხის მოცულობა, მაგრამ მას შორის პირდაპირი კავშირი არ ყოფილა. დიახ, და ყველა სითხის გაფართოების სიჩქარე განსხვავებული იყო.
მაგალითად, წყლის თერმული გაფართოება იწყება ნული გრადუსი ცელსიუსიდან და გრძელდება ტემპერატურის ვარდნასთან ერთად. ადრე, ექსპერიმენტების ასეთი შედეგები დაკავშირებული იყო იმ ფაქტთან, რომ ეს არ არის თავად წყალი, რომელიც ფართოვდება, არამედ კონტეინერი, რომელშიც ის მდებარეობს, ვიწროვდება. მაგრამ გარკვეული პერიოდის შემდეგ, ფიზიკოსი დელუკა მაინც მივიდა დასკვნამდე, რომ მიზეზი თავად სითხეში უნდა ვეძებოთ. მან გადაწყვიტა ეპოვა მისი უდიდესი სიმკვრივის ტემპერატურა. თუმცა უყურადღებობის გამო წარმატებას ვერ მიაღწიაზოგიერთი დეტალი. რამფორტმა, რომელმაც ეს ფენომენი შეისწავლა, აღმოაჩინა, რომ წყლის მაქსიმალური სიმკვრივე შეინიშნება 4-დან 5 გრადუს ცელსიუსამდე.
სხეულების თერმული გაფართოება
მყარ სხეულებში გაფართოების მთავარი მექანიზმი არის ბროლის გისოსის ვიბრაციების ამპლიტუდის ცვლილება. მარტივი სიტყვებით, ატომები, რომლებიც ქმნიან მასალას და ერთმანეთთან მჭიდროდ არიან დაკავშირებული, იწყებენ „კანკალს“.
სხეულების თერმული გაფართოების კანონი ჩამოყალიბებულია შემდეგნაირად: ნებისმიერი სხეული, რომელსაც აქვს წრფივი ზომა L dT-ით გაცხელების პროცესში (დელტა T არის სხვაობა საწყის ტემპერატურასა და საბოლოო ტემპერატურას შორის), ფართოვდება dL-ით. (დელტა L არის ხაზოვანი თერმული გაფართოების კოეფიციენტის წარმოებული ობიექტის სიგრძისა და ტემპერატურის სხვაობის მიხედვით). ეს არის ამ კანონის უმარტივესი ვერსია, რომელიც სტანდარტულად ითვალისწინებს, რომ სხეული ერთდროულად ყველა მიმართულებით ფართოვდება. მაგრამ პრაქტიკული მუშაობისთვის გამოიყენება ბევრად უფრო რთული გამოთვლები, რადგან სინამდვილეში მასალები ფიზიკოსებისა და მათემატიკოსების მოდელირებისგან განსხვავებულად იქცევა.
ლიანდაგის თერმული გაფართოება
ფიზიკოსი ინჟინრები ყოველთვის მონაწილეობენ რკინიგზის ლიანდაგის დაგებაში, რადგან მათ შეუძლიათ ზუსტად გამოთვალონ რამდენი მანძილი უნდა იყოს სარკინიგზო სახსრებს შორის ისე, რომ ლიანდაგები არ დეფორმირდეს გაცხელების ან გაგრილებისას.
როგორც ზემოთ აღინიშნა, თერმული წრფივი გაფართოება გამოიყენება ყველა მყარი სხეულისთვის. და რკინიგზა არ არის გამონაკლისი. მაგრამ არის ერთი დეტალი. ხაზოვანი ცვლილებათავისუფლად ჩნდება, თუ სხეულზე არ მოქმედებს ხახუნის ძალა. რელსები მყარად არის მიმაგრებული შპალერებზე და შედუღებული მიმდებარე რელსებზე, ამიტომ კანონი, რომელიც აღწერს სიგრძის ცვლილებას, ითვალისწინებს დაბრკოლებების გადალახვას წრფივი და კონდახის წინააღმდეგობების სახით.
თუ ლიანდაგი ვერ ცვლის სიგრძეს, მაშინ ტემპერატურის ცვლილებით მასში მატულობს თერმული სტრესიც, რომელსაც შეუძლია მისი დაჭიმვა და შეკუმშვა. ეს ფენომენი აღწერილია ჰუკის კანონით.
