انبساط گرمایی؛ وقتی اجسام به واسطهی گرما قد میکشند!
تا حالا دقت کردین توی روزهای گرم تابستون، خطهای راهآهن یه مقدار بلندتر از زمستون به نظر میرسن؟ یا مثلاً چرا پلهای فلزی رو با فاصلههای کوچیک از هم نصب میکنن؟ اینا همه به خاطر یه پدیدهی جالب تو فیزیک به اسم انبساط گرمایی هستش. تو این مقاله قراره به زبون ساده و با کلی مثال جذاب، بفهمیم که چرا وقتی اجسام گرم میشن، اندازهشون تغییر میکنه و این موضوع چه تأثیری تو زندگی روزمرهی ما داره.
انبساط گرمایی یعنی چی؟
انبساط گرمایی به زبون ساده یعنی وقتی یه جسم رو گرم میکنیم، حجمش زیاد میشه و وقتی سردش میکنیم، کوچیکتر میشه. این اتفاق تو جامدات، مایعات و گازها دیده میشه، ولی شدت و مقدارش تو هر کدوم فرق داره.
حالا چرا این اتفاق میافته؟ چون وقتی یه ماده گرم میشه، مولکولهاش انرژی بیشتری میگیرن، سریعتر حرکت میکنن و فاصلهشون از هم بیشتر میشه، برای همین جسم بزرگتر از قبل میشه.
چرا انبساط گرمایی مهمه؟
شاید بپرسید: خب که چی؟ این اتفاق چه ربطی به ما داره؟
اتفاقاً خیلی هم به زندگی روزمرهمون مربوطه! بیاید چندتا مثال بزنیم:
۱. پلهای فلزی و فاصلههای بینشون
اگه به پلهای فلزی دقت کرده باشین، میبینید که بین قطعاتشون یه مقدار فاصله وجود داره. این فاصلهها برای چیه؟ برای این که وقتی هوا گرم میشه و فلز منبسط میشه، جایی برای بزرگ شدن داشته باشه و نشکنه.
۲. ریلهای راهآهن
ریلهای قطار هم مثل پلهای فلزی تحت تأثیر انبساط گرمایی هستن. اگه بین ریلها فاصلهای در نظر نگیرن، تو تابستون که دما بالا میره، این ریلها به هم فشار میارن و باعث پیچخوردگی یا حتی شکستنشون میشه. این موضوع میتونه باعث خارج شدن قطار از ریل بشه که یه فاجعهی بزرگه!
۳. درها و پنجرههای چوبی
حتماً براتون پیش اومده که تو تابستون یه در چوبی خیلی سخت باز و بسته بشه، ولی همون در تو زمستون راحتتر حرکت کنه. دلیلش اینه که چوب هم منبسط میشه و وقتی دما بالا میره، حجمش زیاد میشه و اصطکاک بیشتری با چارچوب پیدا میکنه.
۴. سیمهای برق تو خیابون
تا حالا دیدید که سیمهای برق تو زمستون سفت و کشیده هستن، ولی تو تابستون کمی شل میشن و آویزون به نظر میان؟ دلیلش همینه که تو هوای گرم، سیمها منبسط میشن و طولشون بیشتر میشه. به همین خاطر موقع نصبشون، مقداری شل در نظر گرفته میشن که تو سرما پاره نشن.
چطور میزان انبساط رو حساب کنیم؟
برای محاسبهی انبساط یه جسم جامد، از یه فرمول خیلی ساده استفاده میکنیم:
ΔL = L0 α ΔT
که توش:
- ΔL = مقدار افزایش طول جسم (متر)
- L0 = طول اولیه جسم (متر)
- α = ضریب انبساط طولی (یک بر درجه سلسیوس)
- ΔT = تغییرات دما (درجه سلسیوس)
مثال عددی
فرض کنید یه میلهی فولادی با طول ۲ متر رو از ۱۰ درجه سلسیوس به ۵۰ درجه سلسیوس برسونیم. اگه ضریب انبساط طولی فولاد (α) برابر مقدار زیر باشه، مقدار افزایش طول میله چقدره؟
α = 12 × 10−6 1/°C
ΔL = (2 m) × (12 × 10−6 1/°C) × ((50 − 10) °C)
ΔL = 2 × 12 × 10−6 × 40 m = 0.00096 m = 0.96 mm
پس میلهی فولادی کمتر از ۱ میلیمتر بلندتر میشه، ولی تو سازههای بزرگ، همین مقدار کم میتونه خیلی مهم باشه!
انبساط گرمایی در مایعات و گازها
حالا بریم سراغ انبساط گرمایی در مایعات و گازها.
انبساط گرمایی در مایعات
مایعات هم وقتی گرم میشن، حجمشون زیاد میشه. مثلاً به بنزین فکر کنید. اگه باک ماشینتون رو کاملاً پر کنید و ماشین رو تو آفتاب بذارید، ممکنه کمی از بنزین سرریز بشه! چون بنزین تو گرما منبسط میشه.
انبساط گرمایی در گازها
تو گازها، انبساط گرمایی حتی بیشتر از جامدات و مایعاته! به همین خاطره که وقتی بادکنکی رو تو یخچال میذارید، کوچیکتر میشه و وقتی دوباره میارید بیرون، کمکم بزرگ میشه.
جمعبندی: چرا باید انبساط گرمایی رو بشناسیم؟
حالا که فهمیدیم انبساط گرمایی چیه و چه تأثیری تو زندگی روزمره ما داره، به اهمیت یادگیری این مبحث پی میبریم. از ساختوساز گرفته تا طراحی ماشینآلات و نیروگاهها، همهجا باید اثرات تغییر دما رو در نظر بگیریم تا مشکلات فنی ایجاد نشه.
اگه دوست داری فیزیک رو ساده و مفهومی یاد بگیری، حتماً دورههای «آموزش فیزیک دهم ریاضی و فیزیک» و «آموزش فیزیک دهم علوم تجربی» رو تو سایت «فیزیکدان» ببین! یادگیری فیزیک میتونه خیلی شیرین باشه، فقط کافیه روش درستش رو بلد باشی! 😉