Termiskā izplešanās

Nodaļā "Vielas atomārā uzbūve" jau pieminēts, ka viena no parādībām, kas apliecina, ka viela veidota no daļiņām, starp kurām ir "spraugas", ir termiskā izplešanās.

Sasilstot izplešas gan cieti ķermeņi (vielas), gan šķidrumi gan arī gāzes. Jāpiebilst, ka iespējami arī izņēmumi – ir vielas, kuras kādā noteiktā temperatūru intervālā saraujas. Savukārt gāze vienmēr aizņem visu tai atvēlēto tilpumu, tādēļ par termisko izplešanos varam runāt tikai aptuveni nemainīga spiediena gadījumā (skatīt nodaļu "Gāzu termiskā izplešanās").

Cietiem ķermeņiem sasilstot mainās kā tilpums, tā arī virsmas laukums un lineārie izmēri. Šķidrumiem parasti aplūko tikai tilpuma izmaiņu.


Termiskās izplešanās skaidrojums


Ķermeņu termiskā izplešanās ir atkarīga no šķidruma vai cietvielas atomu (molekulu) mijiedarbības rakstura. Starp vielas atomiem darbojas pievilkšanās un atgrūšanās spēki. Atgrūšanās spēki, mainoties attālumam starp atomiem, mainās straujāk nekā pievilkšanās spēki (skatīt nodaļu "Cietas vielas, šķidrumi un gāzes"). Tādēļ atomu mijiedarbības potenciālās enerģijas EP atkarību no starpdaļiņu attāluma r attēlo asimetriska līkne (1. attēls a). Paaugstinoties šķidruma vai cietas vielas temperatūrai, pieaug ne tikai daļiņu svārstību amplitūda un palielinās to svārstību siltumkustības vidējā enerģija E, bet būtiski pieaug arī vidējais starpatomu attālums r. Sasilstot no kādas temperatūras T1 līdz temperatūrai T2 starpatomu attālumi pieaug par Δr no r1 līdz r2 un, šiem pieaugumiem summējoties, ķermenis izplešas. Ja enerģijas līkne būtu simetriska, tad, pieaugot svārstību amplitūdai, līdzsvara stāvokļa attālumi r praktiski nemainītos. Zemās temperatūrās (tuvu EP līknes minimumam) potenciālās enerģijas līkne ir gandrīz simetriska (līdzīgi kā 1.attēlā b). Tādēļ, temperatūrai tiecoties uz absolūto nulli, termiskā izplešanās praktiski nenotiek.

1.attēls. Termiskās izplešanās mehānisms
1.att. Termiskās izplešanās mehānisms

 

Termiskās izplešanās koeficients


Ja aplūkojam ķermeņa lineāro izmēru izmaiņu sasilstot, pieredze liecina, ka ķermeņa pagarinājums Δl (lineārā izplešanās) pat visai plašā temperatūru diapazonā ir tieši proporcionāls tā temperatūras izmaiņai.

Ja temperatūrā t1 stieņa garums ir l0, tad, temperatūrai pieaugot līdz t2, stienis pagarinās par Δl(2. att.) un 
Δl(t2t1)

Ķermeņa pagarinājums, protams, ir atkarīgs no ķermeņa sākotnēja garuma: Δll0.
Tātad pagarinājumu varam izteikt:
Δl=αl0(t2t1),
kur proporcionalitātes koeficients α ir lineārās izplešanās termiskais koeficients: α=Δll0(t2t1)

Būtībā šis koeficients parāda to , par cik metriem palielināsies 1 m garš stienis, ja tā temperatūra pieaugs par 1 Celsija grādu vai Kelvinu.

2.att. Lineārā termiskā izplešanās

 

Fizikālo lielumu ε, ko iegūst, pagarinājumu Δl izdalot ar sākotnējo garumu l0 un izsakot procentos, sauc par relatīvo pagarinājumu. 
ε=(Δl:l0)100%

Lineārās izplešanās termiskais koeficients α dažādām vielām ir atšķirīgs (3. attēls)

Savā ziņā aplūkotā termiskā izplešanās ir "lineāra" divās nozīmēs – garuma izmaiņa ir tieši proporcionāla temperatūras izmaiņai un runa ir tikai par vienu dimensiju.

Tā kā izplešanos ietekmē tikai temperatūras izmaiņa, nevis sākuma un beigu temperatūras absolūtās vērtības, un temperatūras izmaiņa Celsija grādos un Kelvinos ir vienāda, varam formulā izmantot kā Celsija grādus, tā Kelvinus.

3.att. Dažādu materiālu stieņu lineārā izplešanās 

Tādiem ķermeņiem kā stieņi vai vadi garums krietni pārsniedz pārējos izmērus, tādēļ var aplūkot termisko izplešanos tikai vienā virzienā. Patiesībā ķermeņu izmēri temperatūras ietekmē mainās visos virzienos, tādēļ tiek apskatīta arī ķermeņu virsmas laukuma un tilpuma izplešanās. 

Ja ķermeņa sākotnējais virsmas laukums ir S0, tad, palielinot temperatūru par Δt, ķermeņa tilpums izplešas līdz S=S0(1+βΔt), kur β ir virsmas izplešanās termiskais koeficients. Var pierādīt, ka, ja ķermenis ir veidots no izotropa materiāla, kura īpašības visos virzienos ir vienādas, tad var uzskatīt, ka β ≈ 2α.

Savukārt, ja ķermeņa sākotnējais tilpums ir V0, tad, palielinot temperatūru par Δt, ķermeņa tilpums izplešanās beigās ir V=V0(1+βΔt), kur β ir tilpuma izplešanās termiskais koeficients (4. attēls).  Ja ķermenis ir veidots no viena izotropa materiāla, tad var uzskatīt, ka β ≈ 3α.
Ja ķermenis ir veidots no dažādiem materiāliem, tad jārēķinās, ka tie temperatūras ietekmē izplešas atšķirīgi. 
Ķermeņu termisko izplešanos ir jāņem vērā ikdienā, arī veidojot dažādas konstrukcijas un ierīces. To tuvāk aplūkosim nodaļā "Cietu vielu termiskā izplešanās".

4.att. Cietu ķermeņu tilpuma izplešanās