درجات الحراره و تمدد الحراري للمواد الصلبه والسائله

درجات الحرارة: تعرف درجة حرارة جسم ما على انها مقياس للطاقة الداخلية للمادة عند تلك الدرجة.

تتراوح درجات الحرارة في هذا الكون الفسيح بين الاف الملايين كلفن إلى ما يقارب الصفر كلفن ، علماً بأن اقل درجة حرارة وصل الانسان اكثر قليلا من الصفر المطلق (كما في الشكل المقابل) ولاحدود لأعلى درجة سجلت حتى الان فتصل درجة حرارة الانشطار النووي للهيلوم إلى 100 مليون كلفن.

الشكل المقابل نلاحظ درجات حرارة بمقياس كلفن لأجسام مختلفة مثل درجة حرارة باطن الشمس التي تصل إلى 107K ودرجة حرارة الهيليوم السائل التي تقدر بـ 4K.

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

التمدد الحراري للمواد الصلبة والسائلة
Thermal expansion of solids and Liquids

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

مقدمة
من المعلوم أن معظم الأجسام تتمدد expand عندما تزداد درجة حرارتها. هذه الظاهرة تلعب دوراً رئيسيا في العديد من التطبيقات الهندسية، فعلى سبيل المثال يتم ترك مسافات بين الوصلات الحديدية في المباني والجسور والسكك الحديدية والطرق السريعة لتعطي المجال للتمدد والإنكماش وإذا لم يتم فعل ذلك يمكن ان يتصدع المبنى أو تنهار الجسور وتلتوي السكك الحديدية بفعل التمدد الحراري للمواد المصنوعة منه.
إن التمدد الحراري thermal expansion للاجسام هو نتيجة عن للتغير الذي يحدث للمسافات الفاصلة بين جزيئات وذرات المادة.
* ولفهم أدق لما ذكرناه لننظر إلى الشكل الموضح أدناه حيث يعبر عن التركيب البلوري لمادة في الحالة الصلبة والتي تحتوي على مصفوفة مرتبة من الذرات المترابطة مع بعضها البعض بفعل القوى الكهربية (الزنبرك في الشكل يمثل القوى الكهربية).

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
يمثل الشكل بلورة لمادة صلبة والزنبرك بين الذرات يمثل القوى الكهربية
التي تربط الذرات بعضها ببعض.

عند درجات الحرارة العادية تتذبذب الذرات حول موضع استقرارها في البلورة وتبلغ سعة الذبذبة ما يقارب 1x10-11m وبتردد يصل إلى 1013Hz. حيث تكون المسافة الفاصلة بين الذرات في البلورة 1x10-10m فإن هذه المسافة تزداد بزيادة درجة الحرارة نتيجة لازدياد سعة الذبذبة وبتجميع هذه الزيادات بين ذرات المادة ينتج عنه تمدد ملحوظ بزيادة درجة الحرارة.

يحدث التمدد على كافة ابعاد الجسم كالطول والعرض والسمك وتكون نسبة الزيادة حسب الأبعاد الهندسية للمادة ومقدار الزيادة يتناسب طردياً مع الطول الأصلي لذا تكون الزيادة في الطول اكثر منها في العرض أو السمك.

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
قبل التسخين
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
بعد التسخين

لنفترض أن أن الطول الأصلي لجسم هو L وبزيادة درجة الحرارة بمقدار DT يحدث زيادة في الطول مقدارها DL وقد اثبتت التجارب ان التغير في الطول يتناسب طرديا مع التغير في درجات الحرارة والطول الأصلي لذا يمكن كتابة معادلة التغير في الطول على النحو التالي:

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

[size=24]حيث ان ثابت التناسب a يسمى معامل التمدد الطولي للمادة coefficient of linear expansion ويعطى بالمعادلة التالية:
[/size]

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

وعليه يمكننا تعربف معامل التمدد الطولي a على أنه مقدار التغير في الطول DL/L لكل تغير في درجة الحرارة بمقدارة درجة مئوية. وتكون وحدة معامل التمدد الطولي هي deg-1، فمثلاً لو كانت a تساوي 11x10-6(Co)-1 تعني أن الزيادة في الطول لجسم ما تتغير بمقدار 11 جزء لكل مليون من طولها الأصلي عندما ترتفع درجة الحرارة بمقدار درجة مئوية واحدة.

ملاحظة التمدد للاجسام يشمل كافة أبعاد الجسم فعلى سبيل المثال لو اعتبرنا حلقة مفرغة كما في الشكل المقابل وتم تسخينها فإن القطر الداخلي للحلقة الصغرى وكذلك القطر الخارجي للحلقة الخارجية يتمددان كما هو موضح في الشكل.

فسر سبب تقوس القطعتين في الشكل ادناه بالتسخين
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

نعلم من السابق ان جميع المواد تتمدد بالحرارة ولكن كل مادة لها معامل تمدد مختلف وفي الجدول التالي نوضح قيمة التمدد الطولي لبعض المواد (تحتاج هذه القيم لحل الأمثلة والتمارين)

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

» التمدد الحراري للمواد الصلبه والسائله
» التمدد السطحي والحجمي للمواد الصلبه
» اقل واعلى درجات الحراره في العالم
» تمدد الاجسام الصلبه
» تمدد المواد الصلبه بالحراره