1.6 Θερμική διαστολή

Είναι γνωστό σε όλους από την άμεση εμπειρία μας ότι τα περισσότερα σώματα διαστέλλονται, όταν θερμανθούν είτε αυτά είναι στερεά είτε υγρά ή αέρια. Οι μεταλλικές ράβδοι γίνονται μακρύτερες, τα υγρά αυξάνουν τον όγκο τους και τα αέρια αυξάνουν την πίεση που ασκούν ή αυξάνουν τον όγκο τους, αν μπορούν.

Αυτά που φαίνονται στην εικόνα 1.22 είναι συνηθισμένα.

Εικ. 1.22 (α) Οι σιδηροτροχιές παραμορφώθηκαν, γιατί δεν ελήφθη πρόνοια για τη θερμική διαστολή, (β) Σε μια μεγάλη γέφυρα συναντάμε αυτές τις σχάρες μεταξύ τμημάτων, για να είναι δυνατή η ανεμπόδιστη διαστολή της.

Μια και όλα τα υλικά αποτελούνται από άτομα και από μόρια, αναζητούμε την ερμηνεία της συμπεριφοράς αυτής των υλικών στη δομή τους.

Ένα κρυσταλλικό στερεό απεικονίζεται όπως στην εικόνα 1.23. Τα ιόντα παριστάνονται με σφαιρίδια, τα οποία συγκρατούνται σε σταθερές θέσεις από ελκτικές δυνάμεις, που ασκούνται σ' αυτά από τα γειτονικά τους ιόντα. Οι δυνάμεις στην εικόνα απεικονίζονται σαν ελατήρια, θεωρούμε ότι τα ιόντα ταλαντώνονται περί τις μέσες θέσεις ισορροπίας τους, και είναι λογικό να υποθέσουμε ότι, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, θα αυξάνεται και το πλάτος της ταλάντωσης.

Όταν κάθε ιόν ταλαντώνεται με λίγο μεγαλύτερο πλάτος, το σώμα διαστέλλεται, καθώς η μέση απόσταση μεταξύ των ιόντων αυξάνεται.

Μια σχετική αύξηση της απόστασης μεταξύ δύο ιόντων κατά 1/100.000 είναι αρκετή, για να εξηγήσει την παρατηρούμενη διαστολή των περισσότερων στερεών σωμάτων.

Τα υγρά συμπεριφέρονται ανάλογα, αλλά, επειδή τα μόρια τους δεν είναι τόσο στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους όσο είναι στα στερεά, έχουν μεγαλύτερη ευχέρεια κίνησης, και γι' αυτό, γενικά, έχουν και μεγαλύτερη ικανότητα διαστολής από ό,τι τα στερεά.

Τα αέρια, με τη σειρά τους, έχουν ακόμη μεγαλύτερη ικανότητα διαστολής, επειδή τα μόρια τους έχουν σχεδόν πλήρη ελευθερία στην κίνησή τους.

Τις μεταβολές της πίεσης, του όγκου ή και των δύο στα αέρια, εξαιτίας της αύξησης της θερμοκρασίας, εύκολα μπορούμε να τις αποδώσουμε στις μεγαλύτερες ταχύτητες τις οποίες αποκτούν τα μόρια του αερίου, όταν η θερμοκρασία μεγαλώνει.

Εικ. 1.23 Μοριακό μοντέλο ενός στερεού κατασκευασμένο με σφαιρίδια (μόρια) και ελατήρια (ενδομοριακές δυνάμεις).