الفيزياء فصل أول

التمدّد الحراري للموادّ الصلبة والسائلة والغازية

عندما يحدث تبادل حراري بين جسم ومحيطه الخارجي؛ إذا لم تتغير حالته الفيزيائية؛ فإن تغير درجة حرارة الجسم، يؤدي إلى تمدده (أو تقلصه) طوليا أو سطحيا أو حجميا.

تفسير التمدّد الحراري للمواد

المادة الصلبة أو السائلة: وفق نموذج الحركة الجزيئية (أو الذرية) رفع درجة حرارة المادة يؤدي إلى زيادة سرعة الجسيمات بالتالي زيادة الطاقة الاهتزازية لذراتها  أو جزيئاتها وزيادة سعة اهتزاز تلك الجسيمات يزداد متوسط المسافة بين  الذرات أو الجزيئات، وتتباعد عن بعضها،  وانخفاض درجة الحرارة  يؤدي إلى نقصان  سعة  الحركة الاهتزازية فتتقارب  دقائق المادة (تقلص). 

أنواع التمدد الحراري:

1- التمدد الحراري الطولي:   

2- التمدد الحراري السطحي.

3- التمدد الحراري الحجمي.

 

	التمدد الحراري الطولي	التمدد الحراري السطحي	التمدد الحراري الحجمي
عند درجة حرارة (T1 )
عند درجة حرارة ( T2 )    ( تسخين )
التغير  في الأبعاد	Δl = l2– l1   التغير  في  الطول	ΔA= A 2 –A1 التغير  في المساحة	V Δ=V2 – V1 التغير  في الحجم

لحساب مقدار الزيادة ($∆l=l_{\mathrm{f}} -l_{\mathrm{i}}$) في سلك طوله ($l_{\mathrm{i}}$) ومعامل التمدد الحراري له ($\rho$)عند رفع درجة حرارته بمقدار ( $∆T =T_f -T_i$) يتم استخدام  العلاقة الرياضية التالية:

                             $\mathbf{∆}\mathit{l}\mathbf{ }\mathbf{=}\mathit{\rho }\mathbf{ }{\mathit{l}}_{\mathbf{i}}\mathbf{ }\mathbf{∆}\mathit{T}$                      

 تطبيقات عملية على هذا الاختلاف منها:

1- يراعي المهندسون أن تكون  معامل التمدد الحراري  لقضبان  حديد التسليح مع الخرسانة ( الأسمنت والحصى  وغيره )  نفسه  وإلا يحدث  تصدع  عند التعرض لتغيرات درجة الحرارة بشكل مستمر بسبب  اختلاف  مقادير  التمدد أو التقلص.  

2- الشريط  ثنائي الفلز (Bimetalic strip )  الذي يستخدم في  منظم الحرارة (Thermostat) يتكون الشريط  الثنائي الفلز من شريطين فلزيين مختلفين، لهما الطول نفسه في  درجة  حرارة الغرفة ومثبتين معا، يكون عادة من الحديد والنحاس

◘ تتمدد أغلب السوائل بارتفاع درجة  حرارتها ويزداد حجمها  وتقل كثافتها  وفق العلاقة ( $\rho =\frac{m}{V}$ ).

شذوذ الماء Anomalous behavior of water:أثناء تبريد الماء من( 4^oC )إلى (0^oC )فإّنه يتمدد، مخالفا بهذا السلوك سلوك بقية السوائل التي يقل حجمها باستمرار تبريدها حتى تجمدها. إذ يكون لكمبة  من الماء  أقل حجم  (أكبر كثافة) عند ( 4^oC ).  ولهذه الظاهرة أهمية كبيرة في الحفاظ على الحياة البحرية في  البحيرات المتحمدة.