Հայտնի է, որ ջերմության ազդեցությամբ մասնիկները արագացնում են իրենց քաոսային շարժումը։ Եթե դուք տաքացնում եք գազը, ապա այն կազմող մոլեկուլները պարզապես կցրվեն միմյանցից: Տաքացվող հեղուկը սկզբում կմեծանա ծավալով, իսկ հետո կսկսի գոլորշիանալ։ Ի՞նչ կլինի պինդ մարմինների հետ: Դրանցից յուրաքանչյուրը չի կարող փոխել իր ագրեգացման վիճակը:
Ջերմային ընդարձակման սահմանում
Ջերմային ընդարձակումը մարմնի չափի և ձևի փոփոխություն է ջերմաստիճանի փոփոխությամբ: Մաթեմատիկորեն հնարավոր է հաշվարկել ծավալային ընդարձակման գործակիցը, որը հնարավորություն է տալիս կանխատեսել գազերի և հեղուկների վարքագիծը փոփոխվող արտաքին պայմաններում։ Պինդ մարմինների համար նույն արդյունքները ստանալու համար պետք է հաշվի առնել գծային ընդարձակման գործակիցը։ Ֆիզիկոսներն այս տեսակի հետազոտության համար առանձնացրել են մի ամբողջ բաժին և այն անվանել դիլատոմետրիա։
Ինժեներին և ճարտարապետներին անհրաժեշտ է գիտելիքներ տարբեր նյութերի վարքագծի մասին բարձր և ցածր ջերմաստիճանների ազդեցության տակ շենքերի, ճանապարհների և խողովակների նախագծման համար:
Գազի ընդլայնում
Ջերմայինգազերի ընդլայնումն ուղեկցվում է տարածության մեջ դրանց ծավալի ընդլայնմամբ։ Սա նկատել են բնափիլիսոփաները հին ժամանակներում, սակայն միայն ժամանակակից ֆիզիկոսներին է հաջողվել մաթեմատիկական հաշվարկներ կառուցել։
Առաջին հերթին գիտնականները սկսեցին հետաքրքրվել օդի ընդլայնմամբ, քանի որ նրանց թվում էր իրագործելի խնդիր: Նրանք այնքան եռանդով ձեռնամուխ եղան գործին, որ բավականին հակասական արդյունքներ ստացան։ Բնականաբար, գիտական հանրությանը նման արդյունքը չի բավարարել։ Չափման ճշգրտությունը կախված էր նրանից, թե որ ջերմաչափն է օգտագործվել, ճնշումը և մի շարք այլ պայմաններ: Որոշ ֆիզիկոսներ նույնիսկ եկել են այն եզրակացության, որ գազերի ընդլայնումը կախված չէ ջերմաստիճանի փոփոխություններից։ Թե՞ այս կախվածությունը թերի է…
Դալթոնի և Գեյ-Լյուսակի ստեղծագործությունները
Ֆիզիկոսները կշարունակեին վիճել այնքան ժամանակ, մինչև որ խռպոտ լինեին կամ կհրաժարվեին չափումներից, եթե չլիներ Ջոն Դալթոնը: Նա և մեկ այլ ֆիզիկոս՝ Գեյ-Լուսակը, կարողացան ինքնուրույն ստանալ նույն չափման արդյունքները միաժամանակ։
Lussac-ը փորձեց գտնել այդքան տարբեր արդյունքների պատճառը և նկատեց, որ փորձի ժամանակ որոշ սարքերում ջուր ունեին: Բնականաբար, տաքացման գործընթացում այն վերածվել է գոլորշու և փոխել ուսումնասիրված գազերի քանակությունն ու բաղադրությունը։ Հետևաբար, առաջին բանը, որ արեց գիտնականը, այն էր, որ մանրակրկիտ չորացրեց բոլոր գործիքները, որոնք նա օգտագործել էր փորձը վարելու համար, և բացառեց ուսումնասիրվող գազից խոնավության նույնիսկ նվազագույն տոկոսը: Այս բոլոր մանիպուլյացիաներից հետո առաջին մի քանի փորձերն ավելի հուսալի են դարձել։
Դալթոնն ավելի երկար է զբաղվել այս հարցովիր գործընկերոջը և արդյունքները հրապարակեց 19-րդ դարի սկզբին։ Նա օդը չորացրեց ծծմբաթթվի գոլորշիով, ապա տաքացրեց։ Մի շարք փորձերից հետո Ջոնը եկավ այն եզրակացության, որ բոլոր գազերն ու գոլորշին ընդլայնվում են 0,376 գործակցով: Lussac-ը ստացավ 0,375 թիվը: Սա դարձավ հետազոտության պաշտոնական արդյունքը:
Ջրային գոլորշիների առաձգականություն
Գազերի ջերմային ընդարձակումը կախված է դրանց առաձգականությունից, այսինքն՝ իրենց սկզբնական ծավալին վերադառնալու կարողությունից։ Զիգլերն առաջինն էր, որ հետաքննեց այս հարցը տասնութերորդ դարի կեսերին։ Բայց նրա փորձերի արդյունքները չափազանց տարբեր էին։ Ավելի հուսալի թվեր են ստացել Ջեյմս Ուոթը, ով օգտագործում էր կաթսա բարձր ջերմաստիճանի համար և բարոմետր ցածր ջերմաստիճանի համար:
18-րդ դարի վերջում ֆրանսիացի ֆիզիկոս Պրոնին փորձեց ստանալ մեկ բանաձև, որը կբնութագրի գազերի առաձգականությունը, բայց պարզվեց, որ այն չափազանց ծանր և դժվար է օգտագործել: Դալթոնը որոշեց փորձարկել բոլոր հաշվարկները էմպիրիկ կերպով՝ դրա համար օգտագործելով սիֆոն բարոմետր: Չնայած այն հանգամանքին, որ ջերմաստիճանը բոլոր փորձերում նույնը չէր, արդյունքները շատ ճշգրիտ էին։ Այսպիսով, նա դրանք որպես աղյուսակ հրապարակեց իր ֆիզիկայի դասագրքում:
Գոլորշիացման տեսություն
Գազերի ջերմային ընդարձակումը (որպես ֆիզիկական տեսություն) ենթարկվել է տարբեր փոփոխությունների։ Գիտնականները փորձել են հասնել այն գործընթացներին, որոնց միջոցով գոլորշի է արտադրվում: Այստեղ կրկին աչքի ընկավ հայտնի ֆիզիկոս Դալթոնը։ Նա ենթադրեց, որ ցանկացած տարածություն հագեցած է գազի գոլորշիով, անկախ նրանից, թե արդյոք այն առկա է այս ջրամբարում.(սենյակ) ցանկացած այլ գազ կամ գոլորշու: Հետևաբար, կարելի է եզրակացնել, որ հեղուկը չի գոլորշիանա պարզապես մթնոլորտային օդի հետ շփվելով։
Օդային սյունակի ճնշումը հեղուկի մակերևույթի վրա մեծացնում է ատոմների միջև տարածությունը՝ պատռելով դրանք և գոլորշիանալով, այսինքն՝ նպաստում է գոլորշու առաջացմանը։ Սակայն ձգողականությունը շարունակում է գործել գոլորշիների մոլեկուլների վրա, ուստի գիտնականները հաշվարկել են, որ մթնոլորտային ճնշումը չի ազդում հեղուկների գոլորշիացման վրա։
Հեղուկների ընդլայնում
Հեղուկների ջերմային ընդարձակումը հետազոտվել է գազերի ընդլայնմանը զուգահեռ։ Նույն գիտնականները զբաղվում էին գիտական հետազոտություններով։ Դրա համար նրանք օգտագործել են ջերմաչափեր, օդաչափեր, հաղորդակցվող անոթներ և այլ գործիքներ։
Բոլոր փորձերը միասին և յուրաքանչյուրն առանձին-առանձին հերքեցին Դալթոնի տեսությունն այն մասին, որ միատարր հեղուկները ընդլայնվում են այն ջերմաստիճանի քառակուսու չափով, որին դրանք տաքացվում են: Իհարկե, որքան բարձր է ջերմաստիճանը, այնքան մեծ է հեղուկի ծավալը, բայց դրա միջև ուղղակի կապ չի եղել։ Այո, և բոլոր հեղուկների ընդլայնման արագությունը տարբեր էր:
Ջրի ջերմային ընդարձակումը, օրինակ, սկսվում է Ցելսիուսի զրոյական աստիճանից և շարունակվում է ջերմաստիճանի նվազմամբ: Նախկինում փորձերի նման արդյունքները կապված էին այն բանի հետ, որ ոչ թե ջուրն է ընդլայնվում, այլ նեղանում է այն տարան, որտեղ այն գտնվում է։ Բայց որոշ ժամանակ անց ֆիզիկոս Դելուկան, այնուամենայնիվ, եկավ այն եզրակացության, որ պատճառը պետք է փնտրել հենց հեղուկի մեջ։ Նա որոշեց գտնել դրա ամենամեծ խտության ջերմաստիճանը։ Սակայն անփութության պատճառով դա նրան չի հաջողվելորոշ մանրամասներ. Ռամֆորտը, ով ուսումնասիրել է այս երևույթը, պարզել է, որ ջրի առավելագույն խտությունը դիտվում է 4-ից 5 աստիճան Ցելսիուսի սահմաններում։
Մարմինների ջերմային ընդարձակում
Պինդ մարմիններում ընդարձակման հիմնական մեխանիզմը բյուրեղային ցանցի թրթռումների ամպլիտուդի փոփոխությունն է։ Պարզ խոսքերով, ատոմները, որոնք կազմում են նյութը և կոշտորեն կապված են միմյանց հետ, սկսում են «դողալ»:
Մարմինների ջերմային ընդարձակման օրենքը ձևակերպված է հետևյալ կերպ. L գծային չափս ունեցող ցանկացած մարմին dT-ով տաքանալու գործընթացում (դելտա T-ն սկզբնական ջերմաստիճանի և վերջնական ջերմաստիճանի տարբերությունն է), ընդլայնվում է դլ-ով։ (դելտա L-ն գծային ջերմային ընդարձակման գործակցի ածանցյալն է՝ ըստ օբյեկտի երկարության և ջերմաստիճանի տարբերության): Սա այս օրենքի ամենապարզ տարբերակն է, որը լռելյայն հաշվի է առնում, որ մարմինը միանգամից ընդարձակվում է բոլոր ուղղություններով։ Բայց գործնական աշխատանքի համար օգտագործվում են շատ ավելի ծանր հաշվարկներ, քանի որ իրականում նյութերը տարբեր կերպ են վարվում ֆիզիկոսների և մաթեմատիկոսների մոդելներից:
Երկաթուղու ջերմային ընդլայնում
Ֆիզիկական ինժեներները միշտ ներգրավված են երկաթուղու գծի անցկացման գործում, քանի որ նրանք կարող են ճշգրիտ հաշվարկել, թե որքան հեռավորություն պետք է լինի ռելսերի միացումների միջև, որպեսզի գծերը չդեֆորմացվեն տաքացման կամ սառեցման ժամանակ:
Ինչպես նշվեց վերևում, ջերմային գծային ընդլայնումը կիրառելի է բոլոր պինդ մարմինների համար: Եվ երկաթուղին բացառություն չէ: Բայց կա մեկ դետալ. Գծային փոփոխությունազատորեն առաջանում է, եթե մարմնի վրա չի ազդում շփման ուժը: Ռելսերը կոշտ կցվում են նավակներին և եռակցվում հարակից ռելսերին, ուստի օրենքը, որը նկարագրում է երկարության փոփոխությունը, հաշվի է առնում խոչընդոտների հաղթահարումը գծային և հետույքի դիմադրության տեսքով:
Եթե ռելսը չի կարող փոխել իր երկարությունը, ապա ջերմաստիճանի փոփոխության հետ նրա մեջ մեծանում է ջերմային սթրեսը, որը կարող է և՛ ձգվել, և՛ սեղմել այն։ Այս երևույթը նկարագրված է Հուկի օրենքով։
