ملخص التمدد الحراري، الفيزياء

التمدد الحراري للمواد الصُّلبة والسائلة والغازية

• يحدث تبادل حراري بين الجسم ومحيطه الخارجي.
• تتغير الحالة الفيزيائية للجسم نتيجة التبادل الحراري.
• يؤدي تبادل الطاقة إلى تغير درجة حرارة الجسم في حال عدم تغير حالته الفيزيائية.
• يؤدي تغير درجة الحرارة إلى تمدد الجسم أو تقلصه طولياً أو سطحياً أو حجمياً.
• تزداد أبعاد أغلب المواد بارتفاع درجة حرارتها.
• تتقلص أبعاد المواد بانخفاض درجة حرارتها.
• توجد فوائد وتطبيقات كثيرة للتمدد الحراري في حياتنا، انظر الشكل (12/أ).
• يؤدي إهمال تمدد الأجسام إلى حدوث أضرار كبيرة، انظر الشكل (12/ب).

التمدد الحراري الطولي

• تؤدي ظاهرة التمدّد الحراري دوراً مهماً في العديد من التطبيقات الهندسية.
• يحرص المهندسون على ترك فراغات أو وضع فاصل تمدّد حراري في المباني والطرق الخرسانية ومسارات السكك الحديدية والجسور للسماح لها بالتمدّد والتقلّص بحرية عند تغير درجة الحرارة من دون أن يؤدي ذلك إلى تلفها أو انهيارها.
• تُسمّى الزيادة في طول سلك فلزي رفيع عند رفع درجة حرارته التمدّد الطولي ⁦Thermal linear expansion⁩.
• يُظهر التغير في طول ساق أو سلك فلزي رفيع ($\Delta l$) تناسباً طردياً مع التغير في درجة حرارته ($\Delta T$).
• يزداد مقدار التغير في طول الساق أو السلك كلما كان الارتفاع في درجة حرارته أكبر.
• يتناسب التمدّد الطولي للساق أو السلك الرفيع طردياً مع طوله.
• يساوي تمدّد ساق فلزية من الحديد طولها ⁦(4 m)⁩ أربعة أضعاف مقدار تمدّد ساق مماثلة طولها ⁦(1 m)⁩ عند رفع درجتي حرارتيهما بالمقدار نفسه.
• أعد فيلماً قصيراً باستخدام صانع الأفلام ⁦(Movie maker)⁩ يعرض تأثيرات عدم مراعاة التمدّد الحراري في المباني والطرق الخرسانية ومسارات السكك الحديدية والجسور وغيرها.
• نستخدم المعادلة الآتية في حساب الزيادة في طول السلك عند تمدّده أو النقصان في طوله عند تقلّصه إذا افترضنا أن لدينا سلكاً طوله ($l_i$) عند درجة حرارة ($T_i$) وأصبح طوله ($l_f$) عند درجة حرارة ($T_f$): $\Delta l = \alpha l_i \Delta T$
• حيث ($\Delta T = T_f - T_i$) و ($\Delta l = l_f - l_i$)، أمّا ألفا ($\alpha$) فتمثّل معامل التمدد الطولي ⁦(Coefficient of linear expansion)⁩ لمادة السلك.
• يختلف معامل التمدد الطولي من مادة إلى أخرى.
• تُعد وحدة قياس معامل التمدد الطولي ($^\circ C^{-1}$) أو ($K^{-1}$).
• يُعرف معامل التمدد الطولي بأنه يساوي مقدار الزيادة في طول ⁦(1 m)⁩ من المادة عند رفع درجة حرارتها بمقدار ($1^\circ C$).
• يوضح الجدول (3) معاملات التمدّد الطولي لمواد مختلفة عند درجة حرارة الغرفة.
• يكون مقدار معامل التمدّد الطولي للفلزات أكبر من مقداره للمواد الأخرى.
• يوضح الجدول التالي قيم معامل التمدّد الطولي ($\alpha$) لمواد مختلفة مقاسة بوحدة ($^\circ C^{-1}$):

تطبيقات على التمدّد الطولي

• ولهذا الاختلاف في معاملات التمدّد مزايا وعيوب، فمثلًا، يراعي المهندسون ذلك عند تصميمهم الجسور والمباني والسكك الحديدية وغيرها.
• تُستخدم قضبان من الحديد مع الخرسانة في الأسمنت المسلح لتقويتها.
• تمتلك قضبان الحديد والخرسانة معامل التمدد نفسه.
• يتصدع البناء عند تعرضه باستمرار لارتفاع درجة حرارته وانخفاضها بتغير درجة الجو في حال اختلاف معامل التمدد.
• تُعد صناعة الشريط الثنائي الفلز ⁦(Bimetalic strip)⁩ من التطبيقات المهمة للاختلاف في معاملات التمدد.
• يتكون الشريط ثنائي الفلز من شريطين مختلفين مثبتين معًا لهما الطول نفسه.
• يتكون الشريط عادة من الحديد والنحاس.
• يتمدد النحاس بمقدار أكبر من تمدد الحديد عند تسخين الشريط بسبب الاختلاف في معامل التمدّد الحراري الطولي للفلزين.
• ينحني الشريط ثنائي الفلز نحو الحديد نظرًا إلى أن الشريطين مثبتان معًا.
• يكون النحاس على السطح الخارجي للشريط عند انحنائه.
• يُستخدم الشريط ثنائي الفلز في منظم الحرارة ⁦(Thermostat)⁩.
• ينحني الشريط بعيدًا عن نقطة التوصيل الكهربائي عندما تصل درجة حرارة عنصر التسخين إلى درجة الحرارة المطلوبة.
• تفصل الدارة الكهربائية في المكواة عند انحناء الشريط ولا يمر فيها تيار كهربائي.
• يعود الشريط إلى وضعه الابتدائي مستقيمًا عندما يبرد.
• يلامس الشريط نقطة التوصيل الكهربائي ويُغلق الدارة الكهربائية عند عودته لوضعه الابتدائي.
• تعمل المكواة مرة أخرى عند إغلاق الدارة الكهربائية.
• يجب أن ينحني الشريط الثنائي الفلز بمقدار أكبر لفتح الدارة الكهربائية إذا دُوّر مقبض التحكم بحيث ينزل إلى أسفل قليلاً.
• يتطلب انحناء الشريط بمقدار أكبر ارتفاع درجة حرارة الشريط بمقدار أكبر.

التمدد الحراري السطحي

• تتمدد صفيحة رقيقة من مادة صلبة عند رفع درجة حرارتها.
• يتغير مقدار كل من طولها وعرضها فتزداد مساحتها.
• يزداد نصف…