ما هو التمدد الحراري؟
هل حاولت في يوم من الأيام فتح برطمان مخلل، لكنك فشلت لأن الغطاء محكم للغاية، وتسألت لمذا نجحت الحيلة المفضلة لجدتك، وهي وضع البرطمان المعدني تحت الماء الساخن لتسخينه، ليفتح الغطاء بسهولة، الجواب هو التمدد الحراري.[١]
يحدث التمدد الحراري (بالإنجليزية: Thermal Expansion) عندما يتمدد الجسم، ويصبح أكبر نتيجة للتغير في درجة حرارة الجسم، ولفهم كيفية حدوث ذلك، نحتاج إلى التفكير في ماهية درجة الحرارة، أو ما معناها الفيزيائي، حيث تُعرف درجة الحرارة بمتوسط الطاقة الحركية (أو الحركة) للجزيئات في المادة، وتعني درجة الحرارة المرتفعة أن الجزيئات تتحرك بشكل أسرع في المتوسط، فإذا قمت بتسخين مادة ما، فإن جزيئاتها ستتحرك بشكل سريع، ونتيجة لذلك، ستشغل مساحة أكبر، حيث ستميل إلى الانتقال إلى مناطق كانت فارغة في السابق، مما يؤدي إلى زيادة حجم المادة.[٢][١]
لذلك عندما قمت بتسخين غطاء البرطمان، حدث نفس الشيء، حيث تمدد غطاء البرطمان، وكذلك الزجاج، لكن المعادن تتمدد أكثر من الزجاج، لتزداد الفجوات بين غطاء الجرة المعدني والخيوط الزجاجية، مما يسهل فتحها.[١]
أنواع التمدد الحراري
يُعرف التمدد النسبي للمادة مقسومًا على التغير في درجة الحرارة بمعامل التمدد الحراري، ويختلف معامل التمدد الحراري الخطي بشكل عام باختلاف درجة الحرارة، فيما يلي الأنواع المختلفة للتمدد الحراري مثل التمدد الخطي، وتمدد المساحة، وتمدد الحجم:[٣]
التمدد الخطي
التمدد الخطي (بالإنجليزية: Linear Expansion) هو التغير في الطول بسبب الحرارة، تُعطى صيغته على النحو التالي:
حيث إن:
L0: الطول الأصلي.
L: الطول الممتد.
α: معامل تمدد الطول.
ΔT: فرق درجة الحرارة.
ΔL: تغيير في الطول.
تمدد الحجم
تمدد الحجم (بالإنجليزية: Volume Expansion) هو التغير في الحجم بسبب درجة الحرارة، تُعطى صيغته على النحو التالي:
حيث إن:
V0: الحجم الأصلي.
V: حجم موسع.
αv: معامل التمدد الحجمي.
ΔT: فرق درجة الحرارة.
ΔV: التغير في الحجم بعد التمدد.
تمدد المساحة
تمدد المساحة (بالإنجليزية: Area Expansion) هو المساحة في المنطقة بسبب تغير درجة الحرارة، تُعطى صيغته على النحو التالي:
حيث إن:
0A: المساحة الأصلية.
ΔA: التغيير في المساحة.
αA: معامل تمدد المساحة.
ΔT: فرق درجة الحرارة.
A0: المساحة المتمددة.
مثال:
قضيب طوله 5 أمتار، سُخن إلى 40 درجة مئوية، فإذا زاد طوله إلى 7 أمتار بعد مرور بعض الوقت، أوجد معامل التمدد، إذا كانت درجة حرارة الغرفة 30 درجة مئوية.
الحل:
المعطيات:
الطول الأصلي (L0): 5 م.
الطول النهائي (L): 7 م.
التغيير في الطول (Δ L): 7 م - 5 م = 2 م.
فرق درجة الحرارة (Δ T): 40 درجة مئوية - 30 درجة مئوية = 10 درجة مئوية
درجة الحرارة المطلقة (T): 10 درجة مئوية + 273 = 283 كلفن
ولحساب معامل التمدد الحراري، نستخدم الصيغة الآتية:
أي أن:
وبتعويض القيم:
= 2 / (283*5) = 14 * 10^-4 K^-1.
وفيما يأتي توضيح لبعض العناوين المشابهة وذات صلة بعنوان المقال:
المراجع
- ^ أ ب ت "Thermal Expansion: Definition, Equation & Examples", study, Retrieved 10/8/2022. Edited.
- ↑ "thermal expansion", britannica, Retrieved 10/8/2022. Edited.
- ↑ "Thermal Expansion Formula", byjus, Retrieved 10/8/2022. Edited.
