Lakhasly

التمدد الحراري هو خاصيّة من خصائص المواد، والتي تميل فيها إلى حدوث زيادة في الحجم نتيجة ازدياد درجة الحرارة. 1] وصلة تمدد في جسر طرقي من أجل تجنب التمدد الحراري. فينتج عن ذلك توسع في المسافة الفاصلة بينها فيزداد الحجم ككل. لذلك فإن أغلب المواد يزداد حجمها وتتمدد عندما تزداد درجة حرارتها. إن المواد التي تتقلص عند ازدياد درجة حرارتها قليلة ونادرة، ومحدودة ضمن مجال معيّن من درجات الحرارة. وهو خاصّية مميّزة للمواد، إذ أن لكل مادة معامل تمدد حراري خاص بها. نظرة عامةعدلالتنبؤ بالتمددعدل يمكن استعمالها للتنبؤ بقيم التمدد الحراري عند كل قيم الضغط ودرجات الحرارة المطلوبة، يتقلص عدد من المواد عند تسخينه ضمن مجالات معينة لدرجات الحرارة؛ على سبيل المثال، ينخفض معامل التمدد الحراري للماء إلى الصفر عند تبريده إلى درجة حرارة 3. يعني ذلك أن للماء كثافة أعظمية عند درجة الحرارة هذه، ويؤدي ذلك لحفاظ الكتل المائية على درجة الحرارة هذه في أعماقها الدنيا لفترات ممتدة من التعرض لدرجة حرارة دون الصفر. أيضًا، يمتلك السيليكون النقي بما يكفي معامل تمدد حراري سالب لدرجات حرارة بين 18 و120 كلفن. 2] على عكس الغازات والسوائل، ينخفض التمدد الحراري على العموم مع ازدياد طاقة الرابطة الجزيئية، ما يترك أثرًا أيضًا على درجة انصهار المواد الصلبة، لذا، من الأرجح للمواد ذات درجات الانصهار المرتفعة أن يكون تمددها الحراري أقل. بشكل عام، تتمدد السوائل بشكل أكبر قليلًا من المواد الصلبة. التمدد الحراري للزجاجيات أعلى بالمقارنة مع التمدد الحراري للمواد ذات البنية البلورية (تدعى أيضًا المواد الكريستالية). تؤدي إعادات التموضع التي تحدث في مادة غير متبلورة إلى انقطاعات مميزة لمعامل التمدد الحراري والحرارة النوعية. 3][4] قد يغير امتصاص الماء (أو مذيبات أخرى) أو امتزازه حجمَ العديد من المواد الشائعة؛ يمكن للدائن الشائعة المعرضة للماء أن تتمدد بنسبة مئوية كبيرة على المدى البعيد. وبالتحديد، يعتمد اختيار المعامل على التطبيق المحدد والأبعاد التي تُعتبر مهمة. يمكن أن يهتم المرء بالتغير مع الطول فقط، أو التغير على مساحة ما. معامل التمدد الحراري الحجمي هو أكثر معاملات التمدد الحرارة بساطةً، بشكل عام، تتمدد المواد وتتقلص عند تغير درجات حرارتها، في الحالة العامة لغاز، يعطى معامل التمدد الحراري الحجمي بالعلاقة: \displaystyle \alpha =\alpha {\text{V}}={\frac {1}{V}}, \left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right){\mathrm {p} }} ويؤكد الدليل V أن التمدد الحجمي (لا الخطي) هو الذي يدخل في هذا التعريف العام. عند دراسة غاز، من الضروري عند حساب التمدد الحراري الأخذ بعين الاعتبار كون الجسم حرًا في تمدده أو مقيدًا. يمكن حساب تمدد الجسم أو انفعاله ببساطة باستخدام معامل تمدده الحراري الممكن تطبيقه. إذا كان الجسم مقيدًا بحيث لا يستطيع التمدد،

التمدد الحراري هو خاصيّة من خصائص المواد، والتي تميل فيها إلى حدوث زيادة في الحجم نتيجة ازدياد درجة الحرارة.[1]

وصلة تمدد في جسر طرقي من أجل تجنب التمدد الحراري.

عندما تسخّن مادة ما فإن الطاقة الحركية للجزيئات المكوّنة لهذه المادة تزداد، مما ينتج عنه ازدياد في حركة الجسيمات، فينتج عن ذلك توسع في المسافة الفاصلة بينها فيزداد الحجم ككل. لذلك فإن أغلب المواد يزداد حجمها وتتمدد عندما تزداد درجة حرارتها. إن المواد التي تتقلص عند ازدياد درجة حرارتها قليلة ونادرة، ومحدودة ضمن مجال معيّن من درجات الحرارة.

إن درجة التمدد الحراري لمادة ما مقسوماً على التغيّر في درجة الحرارة يدعى معامل التمدد الحراري، وهو خاصّية مميّزة للمواد، إذ أن لكل مادة معامل تمدد حراري خاص بها.

نظرة عامةعدلالتنبؤ بالتمددعدل

إذا وُجدت معادلة حالة، يمكن استعمالها للتنبؤ بقيم التمدد الحراري عند كل قيم الضغط ودرجات الحرارة المطلوبة، بالإضافة إلى توابع حالة عديدة أخرى.

ظاهرة التقلص (التمدد الحراري السالب)عدل

يتقلص عدد من المواد عند تسخينه ضمن مجالات معينة لدرجات الحرارة؛ يدعى هذا عادةً «التمدد الحراري السالب» بدلًا من «التقلص الحراري». على سبيل المثال، ينخفض معامل التمدد الحراري للماء إلى الصفر عند تبريده إلى درجة حرارة 3.983 مئوية ثم يصبح سالبًا تحت هذه الدرجة، يعني ذلك أن للماء كثافة أعظمية عند درجة الحرارة هذه، ويؤدي ذلك لحفاظ الكتل المائية على درجة الحرارة هذه في أعماقها الدنيا لفترات ممتدة من التعرض لدرجة حرارة دون الصفر. أيضًا، يمتلك السيليكون النقي بما يكفي معامل تمدد حراري سالب لدرجات حرارة بين 18 و120 كلفن.[2]

العوامل المؤثرة على التمدد الحراريعدل

على عكس الغازات والسوائل، تميل المواد الصلبة للمحافظة على شكلها عند التعرض للتمدد الحراري.

ينخفض التمدد الحراري على العموم مع ازدياد طاقة الرابطة الجزيئية، ما يترك أثرًا أيضًا على درجة انصهار المواد الصلبة، لذا، من الأرجح للمواد ذات درجات الانصهار المرتفعة أن يكون تمددها الحراري أقل. بشكل عام، تتمدد السوائل بشكل أكبر قليلًا من المواد الصلبة. التمدد الحراري للزجاجيات أعلى بالمقارنة مع التمدد الحراري للمواد ذات البنية البلورية (تدعى أيضًا المواد الكريستالية). عند درجة الحرارة الانتقالية للزجاج، تؤدي إعادات التموضع التي تحدث في مادة غير متبلورة إلى انقطاعات مميزة لمعامل التمدد الحراري والحرارة النوعية. تسمح هذه الانقطاعات باكتشاف درجة الحرارة الانتقالية للزجاج التي يتحول عندها سائل فائق التبريد إلى زجاج.[3][4]

قد يغير امتصاص الماء (أو مذيبات أخرى) أو امتزازه حجمَ العديد من المواد الشائعة؛ وهذا أكثر تأثيرًا من التمدد الحراري على تغيير حجم العديد من المواد العضوية. يمكن للدائن الشائعة المعرضة للماء أن تتمدد بنسبة مئوية كبيرة على المدى البعيد.

معامل التمدد الحراريعدل

يصف معامل التمدد الحراري كيف يتغير حجم شيء ما مع تغير درجة الحرارة. وبالتحديد، فإنه يقيس التغير النسبي في الحجم عند تغير درجة حرارة بمقدار درجة واحدة تحت ضغط ثابت. استحدثت أنواع عديدة من المعاملات: الحجمية والسطحية والخطية. يعتمد اختيار المعامل على التطبيق المحدد والأبعاد التي تُعتبر مهمة. بالنسبة للمواد الصلبة، يمكن أن يهتم المرء بالتغير مع الطول فقط، أو التغير على مساحة ما.

معامل التمدد الحراري الحجمي هو أكثر معاملات التمدد الحرارة بساطةً، والأكثر أهمية في الموائع. بشكل عام، تتمدد المواد وتتقلص عند تغير درجات حرارتها، ويحدث التمدد والتقلص على كل الاتجاهات. تدعى المواد التي تتوسع بنفس المقدار في كل الاتجاهات مواد متناحيةً. بالنسبة للمواد المتناحية، تكون معاملات التمدد الحراري السطحية والحجمية أكبر بضعفين وثلاثة أضعاف من معاملات التمدد الحراري الخطية، على الترتيب.

ترد التعاريف الرياضية لتلك المعاملات أدناه للمواد الصلبة والسائلة والغازية.

معامل التمدد الحراري العامعدل

في الحالة العامة لغاز، أو سائل، أو مادة صلبة، يعطى معامل التمدد الحراري الحجمي بالعلاقة:

{\displaystyle \alpha =\alpha {\text{V}}={\frac {1}{V}},\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right){\mathrm {p} }}

ويشير الدليل p للمشتق إلى أن الضغط يبقى ثابتًا أثناء التمدد، ويؤكد الدليل V أن التمدد الحجمي (لا الخطي) هو الذي يدخل في هذا التعريف العام. عند دراسة غاز، فإن حقيقة ثبات الضغط أمر هام؛ لأن حجم الغاز يختلف بشكل ملحوظ مع الضغط ودرجة الحرارة. وفي حالة غاز ذي كثافة منخفضة، يمكن ملاحظة ذلك من قانون الغاز المثالي.

التمدد في المواد الصلبةعدل

من الضروري عند حساب التمدد الحراري الأخذ بعين الاعتبار كون الجسم حرًا في تمدده أو مقيدًا. عند كون الجسم حرًا في تمدده، يمكن حساب تمدد الجسم أو انفعاله ببساطة باستخدام معامل تمدده الحراري الممكن تطبيقه.

إذا كان الجسم مقيدًا بحيث لا يستطيع التمدد، فسينتج (أو يتغير) الإجهاد الداخلي بتغير درجة الحرارة. يمكن حساب هذا الإجهاد بدراسة الانفعال الذي كان سيحدث لو كان الجسم حرًا في تمدده والإجهاد اللازم لتخفيض ذلك الانفعال إلى الصفر، وذلك عبر علاقة الإجهاد/الانفعال التي يحددها عامل يونغ (أو عامل المرونة الأول). في الحالة الخاصة للمواد الصلبة، لا يؤثر الضغط الخارجي المحيط عادةً بشكل كبير على حجم الجسم، وبالتالي، ليس من الضروري عادةً أخذ أثر تغير الضغط بالاعتبار.

لا تتغير معاملات التمدد الحراري للمواد الهندسية الصلبة عادةً بشكل كبير ضمن مجال درجات الحرارة الذي صممت للعمل عنده، لذا، عندما لا تكون الدقة الشديدة مطلوبةً، يمكن إجراء الحسابات العملية على أساس معامل تمدد حراري بقيمة وسطية ثابتة.

التمدد الخطيعدل