เป็นที่ทราบกันดีว่าภายใต้อิทธิพลของอนุภาคความร้อนเร่งการเคลื่อนที่ที่วุ่นวายของพวกมัน หากคุณให้ความร้อนกับแก๊ส โมเลกุลที่ประกอบเป็นแก๊สก็จะกระจัดกระจายออกจากกัน ของเหลวที่ให้ความร้อนจะเพิ่มปริมาตรก่อนแล้วจึงเริ่มระเหย จะเกิดอะไรขึ้นกับของแข็ง? ไม่ใช่ทุกคนที่จะเปลี่ยนสถานะการรวมได้
นิยามการขยายตัวทางความร้อน
การขยายตัวทางความร้อนคือการเปลี่ยนแปลงของขนาดและรูปร่างของร่างกายเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ในทางคณิตศาสตร์ เป็นไปได้ที่จะคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงปริมาตร ซึ่งทำให้สามารถทำนายพฤติกรรมของก๊าซและของเหลวในสภาวะภายนอกที่เปลี่ยนแปลงได้ เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เหมือนกันสำหรับของแข็ง ต้องคำนึงถึงค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นด้วย นักฟิสิกส์ได้แยกส่วนทั้งหมดสำหรับการวิจัยประเภทนี้และเรียกมันว่า dilatometry
วิศวกรและสถาปนิกต้องการความรู้เกี่ยวกับพฤติกรรมของวัสดุต่างๆ ภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิสูงและต่ำสำหรับการออกแบบอาคาร การวางถนน และท่อ
ขยายแก๊ส
ความร้อนการขยายตัวของก๊าซจะมาพร้อมกับการขยายตัวของปริมาตรในอวกาศ สิ่งนี้ถูกสังเกตโดยนักปรัชญาธรรมชาติในสมัยโบราณ แต่มีเพียงนักฟิสิกส์สมัยใหม่เท่านั้นที่สามารถสร้างการคำนวณทางคณิตศาสตร์ได้
อย่างแรก นักวิทยาศาสตร์เริ่มให้ความสนใจกับการขยายตัวของอากาศ เนื่องจากดูเหมือนว่าพวกเขาจะเป็นงานที่เป็นไปได้ พวกเขาลงมือทำธุรกิจอย่างกระตือรือร้นจนได้ผลลัพธ์ที่ค่อนข้างขัดแย้ง โดยธรรมชาติแล้ว ชุมชนวิทยาศาสตร์ไม่พอใจกับผลลัพธ์ดังกล่าว ความแม่นยำในการวัดขึ้นอยู่กับเทอร์โมมิเตอร์ที่ใช้ ความดัน และสภาวะอื่นๆ ที่หลากหลาย นักฟิสิกส์บางคนถึงกับสรุปว่าการขยายตัวของก๊าซไม่ได้ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ หรือว่าการเสพติดนี้ไม่สมบูรณ์…
ทำงานโดย D alton และ Gay-Lussac
นักฟิสิกส์จะเถียงกันต่อไปจนกว่าเสียงจะแหบหรือจะเลิกวัดถ้าไม่ใช่สำหรับ John D alton เขาและนักฟิสิกส์อีกคนคือ Gay-Lussac สามารถรับผลการวัดแบบเดียวกันได้ในเวลาเดียวกัน
Lussac พยายามค้นหาสาเหตุของผลลัพธ์ที่แตกต่างกันมากมาย และสังเกตว่าอุปกรณ์บางตัวในขณะที่ทำการทดลองมีน้ำ โดยธรรมชาติในกระบวนการให้ความร้อน มันจะกลายเป็นไอน้ำและเปลี่ยนปริมาณและองค์ประกอบของก๊าซที่ศึกษา ดังนั้น สิ่งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ทำคือทำให้เครื่องมือทั้งหมดที่เขาใช้ทำการทดลองแห้งอย่างทั่วถึง และไม่รวมแม้แต่เปอร์เซ็นต์ความชื้นขั้นต่ำจากก๊าซที่ทำการศึกษา หลังจากการปรับเปลี่ยนทั้งหมดนี้ การทดลองสองสามครั้งแรกกลับกลายเป็นว่าเชื่อถือได้มากขึ้น
ดัลตันจัดการกับปัญหานี้อีกต่อไปเพื่อนร่วมงานของเขาและเผยแพร่ผลงานเมื่อต้นศตวรรษที่ 19 เขาทำให้อากาศแห้งด้วยไอกรดซัลฟิวริกแล้วทำให้ร้อน หลังจากการทดลองหลายครั้ง จอห์นสรุปได้ว่าก๊าซและไอน้ำทั้งหมดขยายตัว 0.376 ลูซแซกได้หมายเลข 0.375 ซึ่งกลายเป็นผลการศึกษาอย่างเป็นทางการ
ความยืดหยุ่นของไอน้ำ
การขยายตัวทางความร้อนของก๊าซขึ้นอยู่กับความยืดหยุ่น นั่นคือความสามารถในการกลับสู่ปริมาตรเดิม Ziegler เป็นคนแรกที่ตรวจสอบปัญหานี้ในช่วงกลางศตวรรษที่สิบแปด แต่ผลการทดลองของเขาแตกต่างกันมากเกินไป James Watt ได้ตัวเลขที่น่าเชื่อถือมากขึ้น ซึ่งใช้หม้อน้ำสำหรับอุณหภูมิสูงและบารอมิเตอร์สำหรับอุณหภูมิต่ำ
ปลายศตวรรษที่ 18 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Prony พยายามที่จะได้รับสูตรเดียวที่จะอธิบายความยืดหยุ่นของก๊าซ แต่กลับกลายเป็นว่ายุ่งยากเกินไปและใช้งานยาก ดาลตันตัดสินใจทดสอบการคำนวณทั้งหมดโดยสังเกตุ โดยใช้กาลักน้ำบารอมิเตอร์สำหรับสิ่งนี้ แม้ว่าอุณหภูมิจะไม่เท่ากันในการทดลองทั้งหมด แต่ผลลัพธ์ก็แม่นยำมาก ดังนั้นเขาจึงตีพิมพ์เป็นตารางในหนังสือเรียนฟิสิกส์ของเขา
ทฤษฎีการระเหย
การขยายตัวทางความร้อนของก๊าซ (ตามทฤษฎีฟิสิกส์) มีการเปลี่ยนแปลงหลายอย่าง นักวิทยาศาสตร์พยายามที่จะเข้าถึงจุดต่ำสุดของกระบวนการที่ผลิตไอน้ำ ที่นี่อีกครั้ง D alton นักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงได้สร้างความโดดเด่นให้กับตัวเอง เขาตั้งสมมติฐานว่าพื้นที่ใด ๆ อิ่มตัวด้วยไอก๊าซไม่ว่าจะมีอยู่ในอ่างเก็บน้ำนี้หรือไม่ก็ตาม(ห้อง) ก๊าซหรือไอน้ำอื่น ๆ ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าของเหลวจะไม่ระเหยเพียงแค่สัมผัสกับอากาศในบรรยากาศ
ความดันของคอลัมน์อากาศบนพื้นผิวของของเหลวจะเพิ่มช่องว่างระหว่างอะตอม ฉีกออกจากกันและระเหยออกไป กล่าวคือ ทำให้เกิดไอน้ำ แต่แรงโน้มถ่วงยังคงทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของไอ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงคำนวณว่าความดันบรรยากาศไม่มีผลต่อการระเหยของของเหลว
การขยายตัวของของเหลว
ตรวจสอบการขยายตัวทางความร้อนของของเหลวควบคู่ไปกับการขยายตัวของก๊าซ นักวิทยาศาสตร์คนเดียวกันมีส่วนร่วมในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ในการทำเช่นนี้ พวกเขาใช้เทอร์โมมิเตอร์ แอโรมิเตอร์ เรือสื่อสาร และเครื่องมืออื่นๆ
การทดลองทั้งหมดร่วมกันและแต่ละครั้งก็หักล้างทฤษฎีของดัลตันแยกกันว่าของเหลวที่เป็นเนื้อเดียวกันจะขยายตัวตามสัดส่วนของกำลังสองของอุณหภูมิที่พวกมันถูกทำให้ร้อน แน่นอน ยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้น ปริมาตรของของเหลวก็จะยิ่งมากขึ้น แต่ไม่มีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างมัน ใช่ และอัตราการขยายตัวของของเหลวทั้งหมดก็ต่างกัน
การขยายตัวทางความร้อนของน้ำ เช่น เริ่มต้นที่ศูนย์องศาเซลเซียส และดำเนินต่อไปเมื่ออุณหภูมิลดลง ก่อนหน้านี้ผลการทดลองดังกล่าวเกี่ยวข้องกับความจริงที่ว่าไม่ใช่ตัวน้ำที่ขยายตัว แต่ภาชนะที่ตั้งอยู่นั้นแคบลง แต่ต่อมาไม่นานนักฟิสิกส์เดลูก้าก็ได้ข้อสรุปว่าควรหาสาเหตุในของเหลวนั้นเอง เขาตัดสินใจหาอุณหภูมิที่มีความหนาแน่นมากที่สุด อย่างไรก็ตามเขาไม่ประสบความสำเร็จเนื่องจากการละเลยรายละเอียดบางอย่าง Rumforth ผู้ศึกษาปรากฏการณ์นี้พบว่าความหนาแน่นสูงสุดของน้ำอยู่ในช่วง 4 ถึง 5 องศาเซลเซียส
การขยายตัวทางความร้อนของร่างกาย
ในของแข็ง กลไกหลักของการขยายตัวคือการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดของการสั่นสะเทือนของโครงผลึก พูดง่ายๆ ว่าอะตอมที่ประกอบเป็นวัสดุและเชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนาจะเริ่ม "สั่น"
กฎของการขยายตัวทางความร้อนของร่างกายมีสูตรดังนี้: วัตถุใด ๆ ที่มีขนาดเชิงเส้น L ในกระบวนการให้ความร้อนโดย dT (เดลต้า T คือความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิเริ่มต้นและอุณหภูมิสุดท้าย) ขยายโดย dL (เดลต้า L เป็นอนุพันธ์ของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นตามความยาวของวัตถุและความแตกต่างของอุณหภูมิ) นี่เป็นเวอร์ชันที่ง่ายที่สุดของกฎหมายนี้ ซึ่งโดยค่าเริ่มต้นจะพิจารณาว่าร่างกายจะขยายออกทุกทิศทางในคราวเดียว แต่สำหรับงานภาคปฏิบัติ การคำนวณที่ยุ่งยากกว่านั้นก็ถูกนำมาใช้ เนื่องจากในความเป็นจริง วัสดุมีพฤติกรรมแตกต่างจากที่นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์สร้างแบบจำลองไว้
การขยายตัวทางความร้อนของราง
วิศวกรฟิสิกส์มักจะมีส่วนร่วมในการวางรางรถไฟ เนื่องจากพวกเขาสามารถคำนวณระยะห่างระหว่างข้อต่อรางได้อย่างแม่นยำ เพื่อไม่ให้รางเสียหายเมื่อถูกความร้อนหรือเย็นลง
ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น การขยายตัวเชิงเส้นเชิงความร้อนใช้ได้กับของแข็งทั้งหมด และทางรถไฟก็ไม่มีข้อยกเว้น แต่มีรายละเอียดอยู่อย่างหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงเชิงเส้นเกิดขึ้นอย่างอิสระหากร่างกายไม่ได้รับผลกระทบจากแรงเสียดทาน รางยึดติดกับหมอนหนุนอย่างแน่นหนาและเชื่อมเข้ากับรางที่อยู่ติดกัน ดังนั้นกฎหมายที่อธิบายการเปลี่ยนแปลงความยาวจึงคำนึงถึงการเอาชนะสิ่งกีดขวางในรูปของแรงต้านแบบเส้นตรงและแบบก้นด้วย
ถ้ารางไม่สามารถเปลี่ยนความยาวได้ เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ความเค้นจากความร้อนจะเพิ่มขึ้น ซึ่งสามารถทั้งยืดและบีบอัดได้ ปรากฏการณ์นี้อธิบายโดยกฎของฮุค