Je známo, že vlivem tepla částice urychlují svůj chaotický pohyb. Pokud zahřejete plyn, molekuly, které jej tvoří, se od sebe jednoduše rozptýlí. Zahřátá kapalina nejprve zvětší svůj objem a poté se začne odpařovat. Co se stane s pevnými látkami? Ne každý z nich může změnit svůj stav agregace.
Definice tepelné roztažnosti
Tepelná roztažnost je změna velikosti a tvaru těles se změnou teploty. Matematicky je možné vypočítat koeficient objemové roztažnosti, který umožňuje předpovídat chování plynů a kapalin v měnících se vnějších podmínkách. Chcete-li získat stejné výsledky pro tělesa, je třeba vzít v úvahu koeficient lineární roztažnosti. Fyzici pro tento druh výzkumu vybrali celou sekci a nazvali ji dilatometrie.
Inženýři a architekti potřebují znalosti o chování různých materiálů pod vlivem vysokých a nízkých teplot pro navrhování budov, pokládání komunikací a potrubí.
Expanze plynu
Tepelnéexpanze plynů je doprovázena expanzí jejich objemu v prostoru. Toho si všimli přírodní filozofové ve starověku, ale pouze moderní fyzici dokázali sestavit matematické výpočty.
Za prvé, vědci se začali zajímat o expanzi vzduchu, protože se jim to zdálo jako proveditelný úkol. Pustili se do podnikání tak horlivě, že dosáhli spíše rozporuplných výsledků. Vědecká komunita přirozeně nebyla s takovým výsledkem spokojena. Přesnost měření závisela na použitém teploměru, tlaku a řadě dalších podmínek. Někteří fyzici dokonce došli k závěru, že expanze plynů nezávisí na změnách teploty. Nebo je tato závislost neúplná…
Díla D altona a Gay-Lussaca
Fyzici by pokračovali v hádkách, dokud by nebyli chraplaví nebo by opustili měření, nebýt Johna D altona. On a další fyzik, Gay-Lussac, byli schopni nezávisle získat stejné výsledky měření ve stejnou dobu.
Lussac se pokusil najít důvod tolika různých výsledků a všiml si, že některá zařízení v době experimentu měla vodu. Přirozeně se v procesu ohřevu změnil na páru a změnil množství a složení studovaných plynů. První věc, kterou vědec udělal, bylo důkladně vysušit všechny nástroje, které použil k provedení experimentu, a vyloučit i minimální procento vlhkosti ze studovaného plynu. Po všech těchto manipulacích se prvních několik experimentů ukázalo jako spolehlivějších.
D alton se tímto problémem zabýval délesvého kolegu a výsledky zveřejnil na samém počátku 19. století. Vysušil vzduch parami kyseliny sírové a poté jej zahřál. Po sérii experimentů John dospěl k závěru, že všechny plyny a pára expandují faktorem 0,376. Lussac dostal číslo 0,375. To se stalo oficiálním výsledkem studie.
Elasticita vodní páry
Tepelná roztažnost plynů závisí na jejich elasticitě, tedy schopnosti vrátit se do původního objemu. Ziegler byl první, kdo tuto problematiku zkoumal v polovině 18. století. Ale výsledky jeho experimentů se příliš lišily. Spolehlivější údaje získal James Watt, který používal kotel pro vysoké teploty a barometr pro nízké teploty.
Na konci 18. století se francouzský fyzik Prony pokusil odvodit jediný vzorec, který by popisoval elasticitu plynů, ale ukázalo se, že je příliš těžkopádný a obtížně použitelný. D alton se rozhodl všechny výpočty otestovat empiricky, k tomu použil sifonový barometr. Navzdory skutečnosti, že teplota nebyla ve všech experimentech stejná, výsledky byly velmi přesné. Publikoval je tedy jako tabulku ve své učebnici fyziky.
Teorie odpařování
Tepelná roztažnost plynů (jako fyzikální teorie) prošla různými změnami. Vědci se snažili přijít na kloub procesům, kterými se vyrábí pára. Zde se opět vyznamenal známý fyzik D alton. Předpokládal, že jakýkoli prostor je nasycen plynovými parami, bez ohledu na to, zda jsou přítomny v tomto zásobníku(místnost) jakýkoli jiný plyn nebo pára. Lze tedy učinit závěr, že se kapalina nevypaří pouhým kontaktem s atmosférickým vzduchem.
Tlak vzduchového sloupce na povrchu kapaliny zvětšuje prostor mezi atomy, roztrhává je a vypařuje, to znamená, že přispívá k tvorbě páry. Ale gravitace nadále působí na molekuly páry, takže vědci vypočítali, že atmosférický tlak nemá žádný vliv na odpařování kapalin.
Expanze tekutin
Tepelná roztažnost kapalin byla zkoumána souběžně s rozpínáním plynů. Stejní vědci se zabývali vědeckým výzkumem. K tomu používali teploměry, aerometry, spojovací nádoby a další přístroje.
Všechny experimenty dohromady a každý zvlášť vyvrátily D altonovu teorii, že homogenní kapaliny expandují úměrně druhé mocnině teploty, na kterou se zahřívají. Samozřejmě čím vyšší teplota, tím větší objem kapaliny, ale nebyla mezi tím přímá úměra. Ano, a rychlost expanze všech kapalin byla různá.
Tepelná roztažnost vody například začíná při nule stupňů Celsia a pokračuje, když teplota klesá. Dříve byly takové výsledky experimentů spojeny s tím, že se neroztahuje samotná voda, ale zužuje se nádoba, ve které se nachází. O něco později ale fyzik Deluca přesto došel k závěru, že příčinu je třeba hledat v samotné kapalině. Rozhodl se najít teplotu jeho největší hustoty. To se mu však pro zanedbání nepodařilonějaké detaily. Rumforth, který tento jev studoval, zjistil, že maximální hustota vody je pozorována v rozmezí od 4 do 5 stupňů Celsia.
Tepelná roztažnost těles
U pevných látek je hlavním mechanismem expanze změna amplitudy vibrací krystalové mřížky. Jednoduše řečeno, atomy, které tvoří materiál a jsou navzájem pevně spojeny, se začnou „třást“.
Zákon tepelné roztažnosti těles je formulován následovně: každé těleso s lineární velikostí L v procesu ohřevu o dT (delta T je rozdíl mezi počáteční teplotou a konečnou teplotou), expanduje o dL (delta L je derivace koeficientu lineární tepelné roztažnosti délkou objektu a teplotním rozdílem). Jde o nejjednodušší verzi tohoto zákona, která standardně počítá s tím, že se těleso rozpíná do všech stran najednou. Ale pro praktickou práci se používají mnohem těžkopádnější výpočty, protože ve skutečnosti se materiály chovají jinak než ty, které modelovali fyzici a matematici.
Tepelná roztažnost kolejnice
Fyzikální inženýři se vždy podílejí na pokládce železniční trati, protože dokážou přesně vypočítat, jak velká vzdálenost by měla být mezi kolejovými spoji, aby se koleje nedeformovaly při zahřátí nebo ochlazení.
Jak bylo uvedeno výše, tepelná lineární roztažnost je použitelná pro všechny pevné látky. A železnice není výjimkou. Ale je tu jeden detail. Lineární změnavolně nastává, pokud na tělo nepůsobí síla tření. Kolejnice jsou pevně připevněny k pražcům a přivařeny k sousedním kolejnicím, takže zákon, který popisuje změnu délky, počítá s překonáváním překážek v podobě lineárních a tupých odporů.
Pokud kolejnice nemůže změnit svou délku, pak se změnou teploty v ní vzroste tepelné napětí, které ji může natáhnout i stlačit. Tento jev popisuje Hookeův zákon.
