أثر الحرارة على الأجسام الصلبة

[wild al3ali]

أثر الحرارة على الأجسام الصلبة

المقدمة:

إن التغير في درجة حرارة الجسم الصلب ينتج عنه تغير في أبعاده بشكل عام. أن درجة حرارة المادة مقياس للطاقة الداخلية لجزيئاتها . و عند رفع درجة حرارة السائل أو الجامد تزداد طاقة جزيئاته و بالتالي تزداد سعة اهتزازها ، و هذا يؤدي الى زيادة متوسط المسافة بين كل جزئ و الجزيئات المجاورة. أي أن السائل أو الجامد يتمدد عند درجة حرارته . و بالرغم من وجود بعض الأستثناءات الواضحة من هذه القاعدة(الماء ، مثلاً ، ينكمش عند رفع درجة حرارته في المدى من صفر درجة سلزية الى 4درجات سلزية) فإن معضم المواد تتمدد بأرتفاع درجة الحرارة ، بشرط عدم حدوث تغير في الطور.

المضمون:

من الواضح أن التمدد الحراري للمعدن في بناء أو قنطرة يمكن أن يكون أمراً ذا أهمية عملية كبيرة . فإذا لم يؤخذ التمدد الحراري في الأعتبار فإن قضبان السكك الحديدية و خرسانة الطرق السريعم سوف تنبعج تحت تأثير شمس الصيف الساخنة . كذلك فإن كثيراً منا قد عاش أو عمل في أبنية تؤدي فيها مواسير التطويل التي يمر بها البخار في أنضمة التدفئة الى تأثيرات واضحة . لهذه الأسباب ، و لأسباب أخرى كثيرة ، من الضروري أن نعرف بدقة كيف تتمدد المادة من درجة الحرارة . لهذا الغرض تم تعريف و جدولة ثابتين للتمدد الحراري الطولي (و) (الفا) و ثابت التمدد الحراري الحجمي (ح) (جاما).

البيرومتر (جهاز لقياس التمدد الحراري)

 

جهاز البيرومتر ( جهاز قياس التمدد الحراري )، تكلفته 10 – 15 ريالاً، ويستخدم للمقارنة بين التمدد الحراري للمعادن المختلفة للطلبة.

و يقتضينا التسلسل المنطقي أن نبدأ أولاً بالتمدد الطولي للجسم .

التمدد الطولي :

إن مقدار التمدد الطولي لساق أو لسلك يتوقف على العوامل التالية:

1-الطول الأصلي للساق (ل.) .

2-مقدار الأرتفاع في درجة الحرارة للجسم( د).

3-نوع مادة الجسم(ن).

لنأخذ جسماً على شكل قضيب طوله (ل.)، ودرجة حرارته في البداية (د.). و لنرفع درجة حرارته بطريقة ما إلى (د) . إننا إذا فعلنا ذلك ، نلاحظ أن طوله يزداد بحيث يصبح (ل)،و بالتالي يكون التغير في طوله ( ل)يساوي :

ل= ل-ل.

لقد أثبتت التجارب العمملية أن الزيادة في الطول( ل)تتناسب طردياً مع كل من الأرتفاع في درجة الحرارة ، و الطول الأصلي ، أي أن :

ل=و×ل. × ( د)

حيث (و) ثابت يسمى معامل التمدد الطولي لمادة القضيب.

( د) : هي التغير في درجة الحرارة و تساوي (د-د.)

و الجدير بالذكر ، أن لكل مادة معامل تمدد طولي خاص بها ، ويبين الجدول التالي ممعاملات التمدد الطولي لبعض المواد:

معامل التمدد الطولي (و)(درجة س)^-1 المادة

23×10^-6 ألمنيوم

14×10^-6 نحاس

4-9×10^-6 زجاج

0,4×10^-6 كوارتز

26×10^-6 خارصين

29×10^-6 رصاص

51×10^-6 جليد

19×10^-6 نحاس أصفر

 

و يمكن كتابة العلاقة بالشكل التالي:

و= ل÷ل.× د

و يعد معامل التمدد الطولي (و) خاصية للمادة ، فهو يختلف حسب نوع المادة ، و يقاس عادة بوحدة (س^-1): و حيث أن الدرجة الفهرنهيتية تعادل 9/5 من الدرجة السلسزية ، فإن معامل التمدد الطولي لكل درجة فهرنهيتية يعادل 5/9 مقداره عند استعمال التدرج السلزي.

و المعادلة التالية تقدم لنا معامل التمدد الطولي ، فهو الزيادة في طول

و= ل÷ل.× د

وحدة الأطوال من المادة عندما ترتفع درجة حرارتها بمقدار درجة واحدة.

التمدد السطحي:

إذا أخذنا جسماً على شكل صفيحة ، مثلاً ، طولها (أ.) متر و عرضها (ع.) متر ، ورفعنا درجة حرارتها ، فإن طولها ولا شك سيزداد ، و كذلك عرضها تبعاً لعلاقة التمدد الطولي و بالتالي فإن مساحتها ستزداد ، و رياضياً فإنه بالأعتماد على ال%D