"Institute of Educational Policy" Books

Search

Go
Show

2.5 Θερμική διαστολή και συστολή

Έχετε διαπιστώσει ότι βγάζοντας από το ψυγείο ένα κρύο γυάλινο βάζο δυσκολεύεστε να ξεβιδώσετε το μεταλλικό καπάκι του; Αναρωτηθήκατε γιατί το καπάκι έχει σφηνώσει στο στόμιο του βάζου; Γνωρίζετε ότι ρίχνοντας ζεστό νερό στο καπάκι μπορείτε να το ξεβιδώσετε; Γιατί και πώς συμβαίνουν αυτά; Υπεύθυνη είναι η θερμική διαστολή και το αντίθετο της φαινόμενο, η συστολή. Όλα σχεδόν τα σώματα στερεά, υγρά και αέρια όταν θερμαίνονται διαστέλλονται, αυξάνεται δηλαδή ο όγκος τους, ενώ όταν ψύχονται συστέλλονται (Εικ. 2.19).

Η μεταβολή όμως των διαστάσεων των σωμάτων κατά τη διαστολή ή συστολή τους δεν είναι πανομοιότυπη. Στο ψυγείο το καπάκι, που είναι συνήθως φτιαγμένο από σίδηρο ή αλουμίνιο, συστέλλεται περισσότερο από το γυάλινο βάζο γι' αυτό και σφηνώνεται στο στόμιο του βάζου.

Κατά το φαινόμενο της διαστολής που περιγράψαμε μεταβλήθηκε ο όγκος του γυάλινου βάζου και του μεταλλικού πώματος. Όταν όμως θερμαίνουμε μία μεταλλική βελόνα πλεξίματος, η αύξηση του μήκους της είναι συγκριτικά πολύ μεγαλύτερη από την αύξηση των άλλων διαστάσεων της. Η διαστολή αυτή ονομάζεται γραμμική διαστολή ή διαστολή κατά μήκος.

Θερμαίνοντας ράβδους από ποικίλα υλικά και μετρώντας τη μεταβολή του μήκους τους καθώς και την αντίστοιχη μεταβολή της θερμοκρασίας τους, συμπεραίνουμε ότι η μεταβολή του μήκους είναι ανάλογη: - Με τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Π.χ. σε διπλάσια μεταβολή θερμοκρασίας αντιστοιχεί διπλάσια μεταβολή μήκους (Εικ. 2.20). - Με το αρχικό μήκος του σώματος . Δηλαδή σε δύο ράβδους από το ίδιο υλικό, που η μία έχει διπλάσιο μήκος από την άλλη, όταν η θερμοκρασία μεταβάλλεται το ίδιο, η μεταβολή του μήκους της πρώτης είναι διπλάσια από τη μεταβολή του μήκους της δεύτερης (Εικ. 2.21) - Επίσης η μεταβολή του μήκους εξαρτάται από το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένο το σώμα. Όταν η θερμοκρασία μεταβληθεί το ίδιο σε μια σιδερένια ράβδο και σε μια ράβδο αλουμινίου ίδιου μήκους η μεταβολή του μήκους της ράβδου αλουμινίου είναι μεγαλύτερη από τη μεταβολή του μήκους της σιδερένιας ράβδου (Εικ. 2.22).

Εικόνα 2.19 Η σιδερένια σφαίρα στη θερμοκρασία δωματίου μόλις περνά μέσα από το μεταλλικό δακτυλίδι. Όμως η σφαίρα σφηνώνεται στο δακτυλίδι όταν η θερμοκρασία της αυξηθεί στους 200° C περίπου. Επειδή η σφαίρα θερμάνθηκε αυξήθηκε ο όγκος της επομένως και η διάμετρος της.

Εικόνα 2.20 Η αύξηση του μήκους είναι ανάλογη της μεταβολής της θερμοκρασίας (Η αύξηση του μήκους έχει μεγεθυνθεί).

Εικόνα 2.21 Η αύξηση του μήκους είναι ανάλογη του αρχικού μήκους.

Μήκος 4 m θ = 20° C Σίδηρος θ =30° C Μήκος 4 m θ =20° C Αλουμίνιο θ =30° C Εικόνα 2.22 Το αλουμίνιο διαστέλλεται περισσότερο από το σίδερο.

Εικόνα 2.23

Υλικό Διαστολή Κράμα Invar * 0,1 mm Γυαλί Πυρίμαχο 0,3 mm Κράμα Πλατίνας 0,9 mm Γυαλί Κοινό 0,9 mm Τσιμέντο (Μπετόν) 1,2 mm Σίδηρος 1,2 mm Ορείχαλκος 2,0 mm Αλουμίνιο 3,0 mm Διαστολή ράβδων από ποικίλα υλικά, με αρχικό μήκος 1m, όταν η θερμοκρασία τους μεταβληθεί κατά 1000 C. Μία ράβδος αλουμινίου επιμηκύνεται 30 φορές περισσότερο από μία ράβδο Invar. *Κράμα-νικελίου-σιδήρου. Χρησιμοποιείται για την κατασκευή οργάνων ακριβείας, θερμοστατών κτλ