Məlumdur ki, istilik hissəciklərinin təsiri altında onların xaotik hərəkəti sürətlənir. Əgər qazı qızdırsanız, onu təşkil edən molekullar sadəcə olaraq bir-birindən səpələnəcəklər. Qızdırılan maye əvvəlcə həcmdə artacaq, sonra isə buxarlanmağa başlayacaq. Bərk maddələrlə nə olacaq? Onların hər biri birləşmə vəziyyətini dəyişə bilməz.
Termal genişlənmə tərifi
Termik genişlənmə temperaturun dəyişməsi ilə cisimlərin ölçüsü və formasının dəyişməsidir. Riyazi olaraq, dəyişən xarici şəraitdə qazların və mayelərin davranışını proqnozlaşdırmağa imkan verən həcmli genişlənmə əmsalını hesablamaq mümkündür. Bərk cisimlər üçün eyni nəticələri əldə etmək üçün xətti genişlənmə əmsalı nəzərə alınmalıdır. Fiziklər bu növ tədqiqat üçün bütöv bir bölmə ayırdılar və onu dilatometriya adlandırdılar.
Mühəndislər və memarlar binaların layihələndirilməsi, yolların və boruların çəkilməsi üçün yüksək və aşağı temperaturun təsiri altında müxtəlif materialların davranışı haqqında biliyə ehtiyac duyurlar.
Qaz genişləndirilməsi
Termalqazların genişlənməsi kosmosda onların həcminin genişlənməsi ilə müşayiət olunur. Bunu qədim zamanlarda təbiət filosofları müşahidə etmişdilər, lakin yalnız müasir fiziklər riyazi hesablamalar apara bilmişlər.
Hər şeydən əvvəl alimlər havanın genişlənməsi ilə maraqlandılar, çünki bu, onlara mümkün iş kimi görünürdü. İşə o qədər canfəşanlıq etdilər ki, kifayət qədər ziddiyyətli nəticələr əldə etdilər. Təbii ki, belə bir nəticə elmi ictimaiyyəti qane etmədi. Ölçmənin dəqiqliyi hansı termometrin istifadə olunduğundan, təzyiqdən və bir sıra digər şərtlərdən asılı idi. Bəzi fiziklər hətta qazların genişlənməsinin temperaturun dəyişməsindən asılı olmadığı qənaətinə gəliblər. Yoxsa bu asılılıq natamamdır…
D alton və Gay-Lussacın əsərləri
Fiziklər boğulana qədər mübahisə etməyə davam edərdilər və ya Con D alton olmasaydı ölçmələri tərk edərdilər. O və başqa fizik Gay-Lussac eyni vaxtda müstəqil olaraq eyni ölçmə nəticələrini əldə edə bildilər.
Lussac bu qədər fərqli nəticələrin səbəbini tapmağa çalışdı və təcrübə zamanı bəzi cihazlarda su olduğunu gördü. Təbii ki, qızdırma prosesində buxara çevrilərək tədqiq olunan qazların miqdarını və tərkibini dəyişmişdir. Buna görə də alimin ilk işi təcrübə aparmaq üçün istifadə etdiyi bütün alətləri yaxşıca qurutmaq və tədqiq olunan qazdan hətta minimum rütubət faizini belə istisna etmək olub. Bütün bu manipulyasiyalardan sonra ilk bir neçə təcrübə daha etibarlı oldu.
D alton bu məsələ ilə daha uzun müddət məşğul olduhəmkarı idi və nəticələri 19-cu əsrin əvvəllərində dərc etdi. O, havanı sulfat turşusu buxarı ilə qurutdu və sonra qızdırdı. Con bir sıra təcrübələrdən sonra belə nəticəyə gəldi ki, bütün qazlar və buxar 0,376 dəfə genişlənir. Lussak 0,375 rəqəmini aldı. Bu, tədqiqatın rəsmi nəticəsi oldu.
Su buxarının elastikliyi
Qazların istilik genişlənməsi onların elastikliyindən, yəni ilkin həcminə qayıtmaq qabiliyyətindən asılıdır. XVIII əsrin ortalarında bu məsələni ilk araşdıran Ziegler olmuşdur. Lakin onun təcrübələrinin nəticələri çox fərqli idi. Daha etibarlı rəqəmləri yüksək temperaturlar üçün qazandan, aşağı temperaturlar üçün isə barometrdən istifadə edən Ceyms Uott əldə edib.
18-ci əsrin sonlarında fransız fiziki Proni qazların elastikliyini təsvir edən vahid bir düstur çıxarmağa çalışdı, lakin bunun çox çətin və istifadəsi çətin olduğu ortaya çıxdı. D alton bunun üçün bir sifon barometrindən istifadə edərək, bütün hesablamaları empirik olaraq sınamağa qərar verdi. Bütün təcrübələrdə temperaturun eyni olmamasına baxmayaraq, nəticələr çox dəqiq idi. Beləliklə, o, onları fizika dərsliyində cədvəl kimi dərc etdi.
Buxarlanma nəzəriyyəsi
Qazların istilik genişlənməsi (fiziki nəzəriyyə kimi) müxtəlif dəyişikliklərə məruz qalmışdır. Alimlər buxarın yarandığı proseslərin dərinliyinə varmağa çalışıblar. Burada yenə də tanınmış fizik D alton fərqləndi. O, bu anbarda olub-olmamasından asılı olmayaraq istənilən məkanın qaz buxarı ilə doyduğunu fərz edirdi.(otaq) hər hansı digər qaz və ya buxar. Buna görə də belə qənaətə gəlmək olar ki, maye sadəcə atmosfer havası ilə təmasda olmaqla buxarlanmayacaq.
Mayenin səthində hava sütununun təzyiqi atomlar arasındakı boşluğu artırır, onları parçalayır və buxarlanır, yəni buxarın əmələ gəlməsinə kömək edir. Lakin cazibə qüvvəsi buxar molekullarına təsir etməkdə davam edir, ona görə də alimlər hesablayıblar ki, atmosfer təzyiqi mayelərin buxarlanmasına heç bir təsir göstərmir.
Mayelərin genişlənməsi
Mayelərin istilik genişlənməsi qazların genişlənməsi ilə paralel olaraq tədqiq edilmişdir. Eyni alimlər elmi araşdırmalarla məşğul olurdular. Bunun üçün onlar termometrlərdən, aerometrlərdən, rabitə gəmilərindən və digər alətlərdən istifadə ediblər.
Bütün təcrübələr birlikdə və hər biri ayrı-ayrılıqda D altonun homojen mayelərin qızdırıldıqları temperaturun kvadratına nisbətdə genişlənməsi nəzəriyyəsini təkzib etdi. Əlbəttə ki, temperatur nə qədər yüksək olarsa, mayenin həcmi də bir o qədər çox olar, lakin onun arasında birbaşa əlaqə yox idi. Bəli və bütün mayelərin genişlənmə sürəti fərqli idi.
Suyun termal genişlənməsi, məsələn, Selsi üzrə sıfır dərəcədən başlayır və temperatur aşağı düşdükcə davam edir. Əvvəllər təcrübələrin bu cür nəticələri genişlənən suyun özü deyil, onun yerləşdiyi qabın daralması ilə əlaqələndirilirdi. Ancaq bir müddət sonra fizik Deluca buna baxmayaraq, səbəbi mayenin özündə axtarmaq lazım olduğu qənaətinə gəldi. Onun ən böyük sıxlığının temperaturunu tapmağa qərar verdi. Lakin baxımsızlıq ucbatından uğur qazana bilmədibəzi detallar. Bu fenomeni tədqiq edən Rumforth müəyyən etdi ki, suyun maksimum sıxlığı 4 ilə 5 dərəcə Selsi aralığında müşahidə olunur.
Cismlərin istilik genişlənməsi
Bərk cisimlərdə genişlənmənin əsas mexanizmi kristal qəfəsin titrəyişlərinin amplitudasının dəyişməsidir. Sadə sözlə desək, materialı təşkil edən və bir-biri ilə möhkəm bağlı olan atomlar “titrəməyə” başlayırlar.
Cismlərin istilik genişlənməsi qanunu aşağıdakı kimi tərtib edilmişdir: xətti ölçüsü L olan istənilən cisim dT ilə qızdırılma prosesində (delta T ilkin temperaturla son temperatur arasındakı fərqdir), dL genişlənir (delta L cismin uzunluğu və temperatur fərqi ilə xətti termal genişlənmə əmsalının törəməsidir). Bu, bu qanunun ən sadə versiyasıdır, bu, standart olaraq bədənin bir anda bütün istiqamətlərdə genişlənməsini nəzərə alır. Lakin praktiki iş üçün daha çətin hesablamalardan istifadə olunur, çünki reallıqda materiallar fiziklər və riyaziyyatçılar tərəfindən modelləşdirilənlərdən fərqli davranır.
Dəmir yolunun istilik genişlənməsi
Fizika mühəndisləri həmişə dəmir yolu xəttinin çəkilməsi ilə məşğul olurlar, çünki onlar rels birləşmələri arasında nə qədər məsafənin olmasını dəqiq hesablaya bilirlər ki, relslər qızdırılanda və ya soyuduqda deformasiyaya uğramasın.
Yuxarıda qeyd edildiyi kimi, termal xətti genişlənmə bütün bərk cisimlərə şamil edilir. Və dəmir yolu da istisna deyil. Ancaq bir detal var. Xətti dəyişiklikbədənə sürtünmə qüvvəsi təsir etmədikdə sərbəst şəkildə baş verir. Reylər şpallara sərt şəkildə bərkidilir və bitişik relslərə qaynaqlanır, buna görə də uzunluğun dəyişməsini təsvir edən qanun xətti və dayaq müqavimətləri şəklində maneələrin aradan qaldırılmasını nəzərə alır.
Əgər rels öz uzunluğunu dəyişə bilmirsə, onda temperaturun dəyişməsi ilə onda istilik gərginliyi artır ki, bu da onu həm uzada, həm də sıxışdıra bilər. Bu fenomen Hooke Qanunu ilə təsvir edilmişdir.
