Dikenal bahwa di bawah pengaruh partikel panas mempercepat gerakan kacau mereka. Jika Anda memanaskan gas, maka molekul-molekul yang menyusunnya akan saling berhamburan. Cairan yang dipanaskan pertama-tama akan bertambah volumenya, dan kemudian mulai menguap. Apa yang akan terjadi pada benda padat? Tidak semua dari mereka dapat mengubah status agregasinya.
Definisi ekspansi termal
Pemuaian termal adalah perubahan ukuran dan bentuk benda dengan perubahan suhu. Secara matematis, dimungkinkan untuk menghitung koefisien ekspansi volumetrik, yang memungkinkan untuk memprediksi perilaku gas dan cairan dalam kondisi eksternal yang berubah. Untuk mendapatkan hasil yang sama untuk padatan, koefisien ekspansi linier harus diperhitungkan. Fisikawan telah memilih seluruh bagian untuk jenis penelitian ini dan menyebutnya dilatometri.
Insinyur dan arsitek membutuhkan pengetahuan tentang perilaku bahan yang berbeda di bawah pengaruh suhu tinggi dan rendah untuk desain bangunan, peletakan jalan dan pipa.
ekspansi gas
Termalpemuaian gas disertai dengan pemuaian volumenya di ruang angkasa. Ini diperhatikan oleh para filsuf alam di zaman kuno, tetapi hanya fisikawan modern yang berhasil membangun perhitungan matematis.
Pertama-tama, para ilmuwan menjadi tertarik pada pemuaian udara, karena bagi mereka tampaknya merupakan tugas yang layak. Mereka turun ke bisnis dengan begitu bersemangat sehingga mereka mendapatkan hasil yang agak kontradiktif. Tentu saja, komunitas ilmiah tidak puas dengan hasil seperti itu. Keakuratan pengukuran tergantung pada termometer yang digunakan, tekanan, dan berbagai kondisi lainnya. Beberapa fisikawan bahkan sampai pada kesimpulan bahwa pemuaian gas tidak bergantung pada perubahan suhu. Atau apakah kecanduan ini tidak lengkap…
Karya D alton dan Gay-Lussac
Fisikawan akan terus berdebat sampai mereka serak atau akan mengabaikan pengukuran jika bukan karena John D alton. Dia dan fisikawan lain, Gay-Lussac, dapat secara mandiri memperoleh hasil pengukuran yang sama pada waktu yang sama.
Lussac mencoba menemukan alasan untuk begitu banyak hasil yang berbeda dan memperhatikan bahwa beberapa perangkat pada saat percobaan memiliki air. Secara alami, dalam proses pemanasan, itu berubah menjadi uap dan mengubah jumlah dan komposisi gas yang dipelajari. Oleh karena itu, hal pertama yang dilakukan ilmuwan adalah mengeringkan semua instrumen yang ia gunakan untuk melakukan eksperimen secara menyeluruh, dan bahkan mengecualikan persentase minimum uap air dari gas yang diteliti. Setelah semua manipulasi ini, beberapa percobaan pertama ternyata lebih dapat diandalkan.
D alton menangani masalah ini lebih lamarekannya dan mempublikasikan hasilnya pada awal abad ke-19. Dia mengeringkan udara dengan uap asam sulfat dan kemudian memanaskannya. Setelah serangkaian percobaan, John sampai pada kesimpulan bahwa semua gas dan uap memuai dengan faktor 0,376. Lussac mendapat angka 0,375. Ini menjadi hasil resmi penelitian.
Elastisitas uap air
Pemuaian termal gas bergantung pada elastisitasnya, yaitu kemampuan untuk kembali ke volume semula. Ziegler adalah orang pertama yang menyelidiki masalah ini pada pertengahan abad kedelapan belas. Tetapi hasil eksperimennya terlalu bervariasi. Angka yang lebih dapat diandalkan diperoleh oleh James Watt, yang menggunakan kuali untuk suhu tinggi dan barometer untuk suhu rendah.
Pada akhir abad ke-18, fisikawan Prancis, Prony, berusaha mendapatkan formula tunggal yang akan menggambarkan elastisitas gas, tetapi ternyata terlalu rumit dan sulit digunakan. D alton memutuskan untuk menguji semua perhitungan secara empiris, menggunakan barometer siphon untuk ini. Terlepas dari kenyataan bahwa suhu tidak sama di semua percobaan, hasilnya sangat akurat. Jadi dia menerbitkannya sebagai tabel di buku pelajaran fisikanya.
Teori penguapan
Ekspansi termal gas (sebagai teori fisika) telah mengalami berbagai perubahan. Para ilmuwan mencoba memahami proses di mana uap dihasilkan. Di sini sekali lagi, fisikawan terkenal D alton membedakan dirinya. Dia berhipotesis bahwa setiap ruang jenuh dengan uap gas, terlepas dari apakah itu ada di reservoir ini(ruangan) gas atau uap lainnya. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa cairan tidak akan menguap hanya dengan bersentuhan dengan udara atmosfer.
Tekanan kolom udara pada permukaan cairan meningkatkan ruang di antara atom-atom, merobeknya dan menguap, yaitu berkontribusi pada pembentukan uap. Tapi gravitasi terus bekerja pada molekul uap, jadi para ilmuwan menghitung bahwa tekanan atmosfer tidak berpengaruh pada penguapan cairan.
Pemuaian cairan
Pemuaian termal cairan diselidiki secara paralel dengan pemuaian gas. Ilmuwan yang sama terlibat dalam penelitian ilmiah. Untuk melakukan ini, mereka menggunakan termometer, aerometer, bejana komunikasi, dan instrumen lainnya.
Semua eksperimen bersama-sama dan masing-masing secara terpisah menyangkal teori D alton bahwa cairan homogen memuai sebanding dengan kuadrat suhu saat dipanaskan. Tentu saja, semakin tinggi suhu, semakin besar volume cairan, tetapi tidak ada hubungan langsung di antara itu. Ya, dan kecepatan ekspansi semua cairan berbeda.
Pemuaian termal air, misalnya, dimulai dari nol derajat Celcius dan berlanjut seiring dengan turunnya suhu. Sebelumnya, hasil eksperimen semacam itu dikaitkan dengan fakta bahwa bukan air itu sendiri yang mengembang, tetapi wadah di mana ia berada menyempit. Tetapi beberapa waktu kemudian, fisikawan Deluca sampai pada kesimpulan bahwa penyebabnya harus dicari dalam cairan itu sendiri. Dia memutuskan untuk menemukan suhu kepadatan terbesarnya. Namun, dia tidak berhasil karena diabaikanbeberapa detail. Rumforth, yang mempelajari fenomena ini, menemukan bahwa kerapatan maksimum air diamati dalam kisaran 4 hingga 5 derajat Celcius.
Pemuaian termal tubuh
Pada padatan, mekanisme utama pemuaian adalah perubahan amplitudo getaran kisi kristal. Dengan kata sederhana, atom-atom yang menyusun materi dan terikat erat satu sama lain mulai "bergetar".
Hukum pemuaian termal benda dirumuskan sebagai berikut: setiap benda dengan ukuran linier L dalam proses pemanasan sebesar dT (delta T adalah perbedaan antara suhu awal dan suhu akhir), memuai sebesar dL (delta L adalah turunan dari koefisien ekspansi termal linier dengan panjang benda dan perbedaan suhu). Ini adalah versi paling sederhana dari hukum ini, yang secara default memperhitungkan bahwa tubuh mengembang ke segala arah sekaligus. Tetapi untuk pekerjaan praktis, perhitungan yang jauh lebih rumit digunakan, karena pada kenyataannya bahan berperilaku berbeda dari yang dimodelkan oleh fisikawan dan matematikawan.
Ekspansi termal rel
Insinyur fisik selalu terlibat dalam peletakan rel, karena mereka dapat menghitung secara akurat berapa jarak yang harus dicapai antara sambungan rel sehingga rel tidak berubah bentuk saat dipanaskan atau didinginkan.
Seperti disebutkan di atas, ekspansi linier termal berlaku untuk semua padatan. Dan rel tidak terkecuali. Tapi ada satu detail. Perubahan linierbebas terjadi jika tubuh tidak terpengaruh oleh gaya gesekan. Rel dilekatkan secara kaku ke bantalan dan dilas ke rel yang berdekatan, sehingga hukum yang menjelaskan perubahan panjang memperhitungkan mengatasi hambatan dalam bentuk hambatan linier dan butt.
Jika rel tidak dapat mengubah panjangnya, maka dengan perubahan suhu, tegangan termal meningkat di dalamnya, yang dapat meregangkan dan memampatkannya. Fenomena ini dijelaskan oleh Hukum Hooke.
