Відомо, що під дією тепла частинки прискорюють свій хаотичне рух. Якщо нагрівати газ, молекули, що складають його, просто розлетяться один від одного. Нагріта рідина спочатку збільшиться в об'ємі, а потім почне випаровуватися. А що буде з твердими тілами? Не кожне з них може змінити свій агрегатний стан.

Термічне розширення: визначення

Теплове розширення – це зміна розмірів і форми тіл при зміні температури. Математично можна вирахувати об'ємний коефіцієнт розширення, що дозволяє спрогнозувати поведінку газів і рідин в мінливих зовнішніх умовах. Щоб отримати такі ж результати для твердих тіл, необхідно враховувати коефіцієнт лінійного розширення. Фізики виділили цілий розділ для такого роду досліджень і назвали його дилатометрией.


Інженерам і архітекторам необхідні знання про поведінку різних матеріалів під впливом високих і низьких температур для проектування будівель, прокладання доріг і труб.

Розширення газів

Теплове розширення газів супроводжується розширенням їх об'єму в просторі. Це помітили філософи-природники ще в глибоку давнину, але побудувати математичні розрахунки вийшло тільки у сучасних фізиків. В першу чергу вчені зацікавилися розширенням повітря, так як це здавалося їм посильним завданням. Вони настільки завзято взялися за справу, що отримали досить суперечливі результати. Природно, такий результат наукове співтовариство не задовольнив. Точність вимірювання залежала від того, який використовувався термометр, від тиску і безлічі інших умов. Деякі фізики навіть прийшли до думки, що розширення газів не залежить від зміни температури. Або ця залежність не повна

Роботи Дальтона і Гей-Люссака

Фізики продовжували сперечатися до хрипоти або закинули б виміру, якби не Джон Дальтон. Він і ще один фізик Гей-Люссак, в один і той же час незалежно один від одного змогли отримати однакові результати вимірювань. Люссак намагався знайти причину такої кількості різних результатів і помітив, що в деяких приладах в момент досвіду була вода. Природно, в процесі нагрівання вона перетворювалася на пару і зраджувала кількість і склад досліджуваних газів. Тому перше, що зробив вчений, – це ретельно висушив усі інструменти, які використовував для проведення експерименту, і виключив навіть мінімальний відсоток вологості досліджуваного газу. Після всіх цих маніпуляцій перші кілька дослідів виявилися більш достовірними. Дальтон займався цим питанням довше свого колеги і опублікував результати ще в самому початку XIX століття. Він висушував повітря парами сірчаної кислоти, а потім нагрівав його. Після серії дослідів Джон прийшов до висновку, що всі гази і пар розширюються на коефіцієнт 0376. У Люссака вийшло число 0375. Це і стало офіційним результатом дослідження.

Пружність водяної пари

Теплове розширення газів залежить від їх пружності, тобто здатності повертатися в початковий обсяг. Першим дане питання став досліджувати Циглер в середині вісімнадцятого століття. Але результати його дослідів надто різнилися. Більш достовірні цифри отримав Джеймс Уатт, який використовував для високих температур папинов котел, а для низьких – барометр.
Наприкінці XVIII століття французький фізик Проні зробив спробу вивести єдину формулу, яка б описувала пружність газів, але вона вийшла занадто громіздка і складна у використанні. Дальтон вирішив досвідченим шляхом перевірити всі розрахунки, використовуючи для цього сифонний барометр. Не дивлячись на те що температура не у всіх дослідах була однакова, результати вийшли дуже точними. Тому він опублікував їх у вигляді таблиці у своєму підручнику з фізики.

Теорія випаровування

Теплове розширення газів (як фізична теорія) перетерплювала різні зміни. Вчені намагалися дістатися до суті процесів, при яких виходить пар. Тут знову відзначився відомий вже нам фізик Дальтон. Він висловив гіпотезу, що будь-простір насичується парами газу незалежно від того, чи є в цьому резервуарі (приміщенні) якої-небудь іншої газ або пар. Отже, можна зробити висновок, що рідина не буде випаровуватися, просто входячи в контакт з атмосферним повітрям. Тиск стовпа повітря на поверхню рідини збільшує простір між атомами, відриваючи їх одне від одного і випаровуючи, тобто сприяє утворенню пари. Але на молекули пара продовжує діяти сила тяжіння, тому вчені вважають, що атмосферний тиск ніяк не впливає на випаровування рідин.

Розширення рідин

Теплове розширення рідин досліджували паралельно з розширенням газів. Науковими дослідженнями займалися ті ж самі вчені. Для цього вони використовували термометри, аэрометри, сполучені посудини та інші інструменти. Всі досліди разом і кожен окремо спростували теорію Дальтона про те, що однорідні рідини розширюються пропорційно квадрату температури, на яку їх нагрівають. Звичайно, чим вище температура, тим більше об'єм рідини, але прямої залежності між них не було. Та і швидкість розширення у всіх рідин була різною.
Теплове розширення води, наприклад, починається з нуля градусів за Цельсієм і триває з пониженням температури. Раніше такі результати дослідів пов'язували з тим, що розширюється не сама вода, а звужується ємність, в якій вона знаходиться. Але через деякий час фізик Делюка все-таки прийшов до думки, що причину слід шукати в самій рідині. Він вирішив знайти температуру її найбільшою щільності. Однак це йому не вдалося через нехтування деякими деталями. Румфорт, який займався вивченням цього явища, встановив, що максимальна щільність води спостерігається в межах від 4 до 5 градусів за Цельсієм.

Теплове розширення тіл

У твердих тілах головним механізмом розширення є зміна амплітуди коливань кристалічної решітки. Якщо говорити простими словами, то атоми, що входять до складу матеріалу і жорстко зчеплені між собою, починають «тремтіти». Закон теплового розширення тіл сформульований так: будь-яке тіло з лінійним розміром L в процесі нагрівання на dT (дельта Т – різниця між початковою температурою і кінцевою), розширюється на величину dL (дельта L – це похідна коефіцієнта лінійного теплового розширення на довжину об'єкта на різницю температури). Це найпростіший варіант цього закону, який за замовчуванням враховує, що тіло розширюється відразу на всі боки. Але для практичної роботи використовують більш громіздкі обчислення, так як в реальності матеріали ведуть себе не так, як змодельовано фізиками і математиками.

Теплове розширення рейки

Для прокладання залізничного полотна завжди привертають інженерів-фізиків, так як вони можуть точно визначити, яка відстань має бути між стиками рейок, щоб при нагріванні або охолодженні шляху не деформувалися. Як вже було сказано вище, лінійне теплове розширення застосувати для всіх твердих тел. І рейок не став винятком. Але є одна деталь. Лінійна зміна вільно відбувається у тому випадку, якщо на тіло не впливає сила тертя. Рейки жорстко прикріплені до шпал і зварені з сусідніми рейками, тому закон, який описує зміну довжини, враховує подолання перешкод у вигляді погонних і стикових опорів. Якщо рейок не може змінити свою довжину, то зі зміною температури в ньому наростає теплове напруження, яке може як розтягнути, так і стиснути його. Цей феномен описується законом Гука.