Ismert, hogy hő hatására a részecskék felgyorsítják kaotikus mozgásukat. Ha felmelegítünk egy gázt, akkor az azt alkotó molekulák egyszerűen szétszóródnak egymástól. A felmelegített folyadék először térfogata nő, majd elkezd elpárologni. Mi lesz a szilárd anyagokkal? Nem mindegyik módosíthatja az összesítési állapotát.
Hőtágulás meghatározása
A hőtágulás a testek méretének és alakjának változása a hőmérséklet változásával. Matematikailag kiszámolható a térfogati tágulási együttható, amely lehetővé teszi a gázok és folyadékok viselkedésének előrejelzését változó külső körülmények között. Ahhoz, hogy a szilárd anyagokra ugyanazt az eredményt kapjuk, figyelembe kell venni a lineáris tágulási együtthatót. A fizikusok egy egész szakaszt különítettek el az ilyen jellegű kutatásokhoz, és dilatometriának nevezték el.
A mérnököknek és építészeknek ismeretekre van szükségük a különböző anyagok viselkedéséről magas és alacsony hőmérséklet hatására épületek tervezése, utak és csövek fektetése során.
Gáztágulás
Termikusa gázok tágulását térfogatuk térbeli bővülése kíséri. Ezt már az ókorban észrevették a természetfilozófusok, de csak a modern fizikusoknak sikerült matematikai számításokat készíteniük.
Először is a tudósok érdeklődtek a levegő tágulása iránt, mivel ez megvalósítható feladatnak tűnt. Olyan buzgón fogtak hozzá az üzlethez, hogy meglehetősen ellentmondásos eredményeket értek el. A tudományos közösség természetesen nem volt elégedett ezzel az eredménnyel. A mérés pontossága a használt hőmérőtől, a nyomástól és számos egyéb körülménytől függött. Egyes fizikusok arra a következtetésre jutottak, hogy a gázok tágulása nem függ a hőmérséklet változásától. Vagy ez a függőség nem teljes…
D alton és Gay-Lussac munkái
A fizikusok addig vitatkoznának, amíg el nem rekedtek, vagy felhagytak volna a mérésekkel, ha nincs John D alton. Ő és egy másik fizikus, Gay-Lussac, egymástól függetlenül, azonos mérési eredményeket tudtak elérni ugyanabban az időben.
Lussac megpróbálta megtalálni a sokféle eredmény okát, és észrevette, hogy a kísérlet idején néhány eszközben víz volt. Természetesen a melegítés során gőzzé alakult, és megváltoztatta a vizsgált gázok mennyiségét és összetételét. Ezért a tudós első dolga az volt, hogy alaposan megszárítsa a kísérlethez használt összes műszert, és még a minimális nedvesség százalékot is kizárja a vizsgált gázból. Mindezen manipulációk után az első néhány kísérlet megbízhatóbbnak bizonyult.
D alton hosszabb ideig foglalkozott ezzel a kérdésselmunkatársa, és az eredményeket a 19. század legelején publikálta. A levegőt kénsavgőzzel megszárította, majd felmelegítette. Egy sor kísérlet után John arra a következtetésre jutott, hogy minden gáz és gőz 0,376-os tényezővel tágul. Lussac 0,375-ös számot kapott. Ez lett a vizsgálat hivatalos eredménye.
A vízgőz rugalmassága
A gázok hőtágulása függ a rugalmasságuktól, vagyis attól, hogy képesek-e visszatérni eredeti térfogatukba. Ziegler volt az első, aki a XVIII. század közepén vizsgálta ezt a kérdést. De kísérleteinek eredményei túlságosan eltérőek voltak. Megbízhatóbb adatokhoz jutott James Watt, aki üstöt használt a magas hőmérséklethez és barométert az alacsony hőmérséklethez.
A 18. század végén Prony francia fizikus egyetlen képletet próbált levezetni, amely leírná a gázok rugalmasságát, de az túl nehézkesnek és nehezen használhatónak bizonyult. D alton úgy döntött, hogy az összes számítást empirikusan teszteli, ehhez szifon barométert használ. Annak ellenére, hogy a hőmérséklet nem volt minden kísérletben azonos, az eredmények nagyon pontosak voltak. Ezért táblázatként publikálta őket fizika tankönyvében.
Párolgáselmélet
A gázok hőtágulása (mint fizikai elmélet) különféle változásokon ment keresztül. A tudósok megpróbálták a gőztermelés folyamatának mélyére jutni. Itt ismét az ismert fizikus, D alton kitüntette magát. Feltételezte, hogy minden tér telített gázgőzzel, függetlenül attól, hogy jelen van-e ebben a tározóban.(szoba) bármilyen egyéb gáz vagy gőz. Ezért arra a következtetésre juthatunk, hogy a folyadék nem párolog el pusztán a légköri levegővel érintkezve.
A légoszlop nyomása a folyadék felszínén megnöveli az atomok közötti teret, szétszakítja és elpárolog, vagyis hozzájárul a gőzképződéshez. De a gravitáció továbbra is hat a gőzmolekulákra, ezért a tudósok számításai szerint a légköri nyomás nincs hatással a folyadékok párolgására.
A folyadékok tágulása
A folyadékok hőtágulását a gázok tágulásával párhuzamosan vizsgáltuk. Ugyanazok a tudósok foglalkoztak tudományos kutatással. Ehhez hőmérőket, aerométereket, kommunikáló edényeket és egyéb műszereket használtak.
Minden kísérlet együtt és mindegyik külön-külön megcáfolta D alton elméletét, amely szerint a homogén folyadékok a felmelegedésük négyzetével arányosan tágulnak. Természetesen minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb a folyadék térfogata, de nem volt közvetlen kapcsolat közöttük. Igen, és az összes folyadék tágulási sebessége eltérő volt.
A víz hőtágulása például nulla Celsius-foknál kezdődik, és a hőmérséklet csökkenésével folytatódik. Korábban az ilyen kísérleti eredményeket azzal a ténnyel társították, hogy nem maga a víz tágul, hanem a tartály, amelyben található, szűkül. De valamivel később a fizikus Deluca mégis arra a következtetésre jutott, hogy az okot magában a folyadékban kell keresni. Úgy döntött, hogy megtalálja a legnagyobb sűrűségű hőmérsékletet. Az elhanyagolás miatt azonban nem járt sikerrelnéhány részletet. Rumforth, aki ezt a jelenséget tanulmányozta, azt találta, hogy a víz maximális sűrűsége 4-5 Celsius-fok között van.
Testek hőtágulása
Szilárd testekben a tágulás fő mechanizmusa a kristályrács rezgésének amplitúdójának változása. Egyszerű szavakkal, az anyagot alkotó és egymáshoz mereven kapcsolódó atomok elkezdenek „remegni”.
A testek hőtágulási törvénye a következőképpen fogalmazódik meg: minden L lineáris méretű test dT-vel történő melegítés során (a delta T a kezdeti hőmérséklet és a végső hőmérséklet különbsége), dL-rel tágul. (A delta L a lineáris hőtágulási együttható tárgyhossz és hőmérséklet-különbség szerinti deriváltja). Ez ennek a törvénynek a legegyszerűbb változata, amely alapértelmezés szerint figyelembe veszi, hogy a test egyszerre tágul minden irányba. A gyakorlati munkához azonban sokkal körülményesebb számításokat alkalmaznak, mivel a valóságban az anyagok másképpen viselkednek, mint a fizikusok és matematikusok modellezték.
A sín hőtágulása
A vasúti pálya lefektetésében mindig részt vesznek a fizikai mérnökök, akik pontosan ki tudják számítani, mekkora távolság legyen a sínkötések között, hogy a sínek ne deformálódjanak fel fűtéskor vagy hűtéskor.
Amint fentebb említettük, a lineáris hőtágulás minden szilárd anyagra alkalmazható. És ez alól a vasút sem kivétel. De van egy részlet. Lineáris változásszabadon előfordul, ha a testre nem hat a súrlódási erő. A sínek mereven rögzítve vannak a talpfákhoz és a szomszédos sínekhez hegesztve, így a hosszváltozást leíró törvény figyelembe veszi az akadályok leküzdését lineáris és tompa ellenállások formájában.
Ha egy sín nem tudja megváltoztatni a hosszát, akkor a hőmérséklet változásával megnő benne a termikus feszültség, ami egyszerre nyújthatja és összenyomhatja. Ezt a jelenséget a Hooke-törvény írja le.
