Es ist bekannt, dass Teilchen unter dem Einfluss von Wärme ihre chaotische Bewegung beschleunigen. Wenn Sie ein Gas erhitzen, werden die Moleküle, aus denen es besteht, einfach voneinander getrennt. Die erhitzte Flüssigkeit nimmt zunächst an Volumen zu und beginnt dann zu verdampfen. Was passiert mit Feststoffen? Nicht jeder kann seinen Aggregatzustand ändern.
Definition der thermischen Ausdehnung
Wärmeausdehnung ist eine Veränderung der Größe und Form von Körpern bei einer Temperaturänderung. Mathematisch lässt sich der volumetrische Ausdehnungskoeffizient berechnen, der es ermöglicht, das Verh alten von Gasen und Flüssigkeiten bei wechselnden äußeren Bedingungen vorherzusagen. Um die gleichen Ergebnisse für Festkörper zu erh alten, muss der lineare Ausdehnungskoeffizient berücksichtigt werden. Physiker haben dieser Art von Forschung einen ganzen Abschnitt gewidmet und sie Dilatometrie genannt.
Ingenieure und Architekten brauchen Kenntnisse über das Verh alten verschiedener Materialien unter dem Einfluss von hohen und niedrigen Temperaturen, um Gebäude zu entwerfen, Straßen und Rohre zu verlegen.
Gasausdehnung
ThermalDie Ausdehnung von Gasen geht mit der Ausdehnung ihres Volumens im Raum einher. Dies wurde schon in der Antike von Naturphilosophen bemerkt, aber nur modernen Physikern gelang es, mathematische Berechnungen zu erstellen.
Zunächst interessierten sich die Wissenschaftler für die Expansion der Luft, da sie ihnen als machbare Aufgabe erschien. Sie gingen so eifrig ans Werk, dass sie ziemlich widersprüchliche Ergebnisse erzielten. Natürlich war die wissenschaftliche Gemeinschaft mit einem solchen Ergebnis nicht zufrieden. Die Genauigkeit der Messung hing vom verwendeten Thermometer, dem Druck und einer Vielzahl anderer Bedingungen ab. Einige Physiker sind sogar zu dem Schluss gekommen, dass die Ausdehnung von Gasen nicht von Temperaturänderungen abhängt. Oder ist diese Sucht unvollständig…
Werke von D alton und Gay-Lussac
Physiker würden weiter streiten, bis sie heiser sind, oder hätten Messungen aufgegeben, wenn John D alton nicht gewesen wäre. Er und ein anderer Physiker, Gay-Lussac, konnten unabhängig voneinander die gleichen Messergebnisse zur gleichen Zeit erh alten.
Lussac versuchte, den Grund für so viele verschiedene Ergebnisse zu finden, und bemerkte, dass einige der Geräte zum Zeitpunkt des Experiments Wasser enthielten. Natürlich verwandelte es sich beim Erhitzen in Dampf und veränderte die Menge und Zusammensetzung der untersuchten Gase. Daher trocknete der Wissenschaftler zunächst alle Instrumente, mit denen er das Experiment durchführte, gründlich und schloss sogar den minimalen Prozentsatz an Feuchtigkeit aus dem zu untersuchenden Gas aus. Nach all diesen Manipulationen erwiesen sich die ersten Experimente als zuverlässiger.
D alton beschäftigte sich länger mit diesem Themaseinen Kollegen und veröffentlichte die Ergebnisse gleich zu Beginn des 19. Jahrhunderts. Er trocknete die Luft mit Schwefelsäuredampf und erhitzte sie dann. Nach einer Reihe von Experimenten kam John zu dem Schluss, dass sich alle Gase und Dämpfe um den Faktor 0,376 ausdehnen. Lussac erhielt die Zahl 0,375. Dies wurde das offizielle Ergebnis der Studie.
Elastizität von Wasserdampf
Die Wärmeausdehnung von Gasen hängt von ihrer Elastizität ab, also der Fähigkeit, in ihr ursprüngliches Volumen zurückzukehren. Ziegler war der erste, der diese Frage Mitte des 18. Jahrhunderts untersuchte. Aber die Ergebnisse seiner Experimente variierten zu sehr. Zuverlässigere Zahlen wurden von James Watt erh alten, der einen Kessel für hohe Temperaturen und ein Barometer für niedrige Temperaturen verwendete.
Ende des 18. Jahrhunderts versuchte der französische Physiker Prony, eine einzige Formel zur Beschreibung der Elastizität von Gasen abzuleiten, die sich jedoch als zu umständlich und schwierig zu handhaben herausstellte. D alton beschloss, alle Berechnungen empirisch zu testen, wobei er dafür ein Siphonbarometer verwendete. Trotz der Tatsache, dass die Temperatur nicht in allen Experimenten gleich war, waren die Ergebnisse sehr genau. Also veröffentlichte er sie als Tabelle in seinem Physiklehrbuch.
Verdunstungstheorie
Die Wärmeausdehnung von Gasen (als physikalische Theorie) hat verschiedene Veränderungen erfahren. Wissenschaftler versuchten, den Prozessen bei der Dampferzeugung auf den Grund zu gehen. Auch hier zeichnete sich der bekannte Physiker D alton aus. Er stellte die Hypothese auf, dass jeder Raum mit Gasdampf gesättigt ist, unabhängig davon, ob er in diesem Reservoir vorhanden ist(Raum) jedes andere Gas oder Dampf. Daraus kann geschlossen werden, dass die Flüssigkeit nicht einfach durch den Kontakt mit atmosphärischer Luft verdunstet.
Der Druck der Luftsäule auf der Flüssigkeitsoberfläche vergrößert den Abstand zwischen den Atomen, reißt sie auseinander und verdampft, d.h. er trägt zur Dampfbildung bei. Aber die Schwerkraft wirkt weiterhin auf die Dampfmoleküle, daher haben Wissenschaftler berechnet, dass der atmosphärische Druck keinen Einfluss auf die Verdunstung von Flüssigkeiten hat.
Ausdehnung von Flüssigkeiten
Die thermische Ausdehnung von Flüssigkeiten wurde parallel zur Ausdehnung von Gasen untersucht. Dieselben Wissenschaftler waren mit wissenschaftlicher Forschung beschäftigt. Dazu benutzten sie Thermometer, Aerometer, kommunizierende Gefäße und andere Instrumente.
Alle Experimente zusammen und jedes einzeln widerlegte D altons Theorie, dass sich homogene Flüssigkeiten proportional zum Quadrat der Temperatur ausdehnen, auf die sie erhitzt werden. Je höher die Temperatur, desto größer ist natürlich das Volumen der Flüssigkeit, aber es gab keine direkte Beziehung zwischen ihnen. Ja, und die Expansionsrate aller Flüssigkeiten war unterschiedlich.
Die Wärmeausdehnung von Wasser beispielsweise beginnt bei null Grad Celsius und setzt sich fort, wenn die Temperatur sinkt. Bisher waren solche Versuchsergebnisse damit verbunden, dass sich nicht das Wasser selbst ausdehnt, sondern der Behälter, in dem es sich befindet, sich verengt. Doch einige Zeit später kam der Physiker Deluca dennoch zu dem Schluss, dass die Ursache in der Flüssigkeit selbst zu suchen sei. Er beschloss, die Temperatur seiner größten Dichte zu finden. Dies gelang ihm jedoch aufgrund von Vernachlässigung nichtein paar Details. Rumforth, der dieses Phänomen untersuchte, fand heraus, dass die maximale Dichte von Wasser im Bereich von 4 bis 5 Grad Celsius beobachtet wird.
Wärmeausdehnung von Körpern
In Festkörpern ist der Hauptmechanismus der Ausdehnung eine Änderung der Schwingungsamplitude des Kristallgitters. Vereinfacht gesagt beginnen die Atome, aus denen das Material besteht und die fest miteinander verbunden sind, zu „zittern“.
Das Gesetz der Wärmeausdehnung von Körpern wird wie folgt formuliert: Jeder Körper mit einer linearen Größe L dehnt sich beim Erwärmen um dT (delta T ist die Differenz zwischen der Anfangstemperatur und der Endtemperatur) um dL aus (Delta L ist die Ableitung des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten nach Objektlänge und Temperaturdifferenz). Dies ist die einfachste Version dieses Gesetzes, die standardmäßig berücksichtigt, dass sich der Körper in alle Richtungen gleichzeitig ausdehnt. Für die praktische Arbeit werden jedoch viel umständlichere Berechnungen verwendet, da sich Materialien in der Realität anders verh alten als von Physikern und Mathematikern modelliert.
Wärmeausdehnung der Schiene
Physikingenieure sind beim Verlegen der Gleise immer involviert, da sie genau berechnen können, wie viel Abstand zwischen den Schienenstößen sein muss, damit sich die Gleise beim Erhitzen oder Abkühlen nicht verformen.
Wie oben erwähnt, gilt die thermische Längenausdehnung für alle Festkörper. Und die Schiene ist da keine Ausnahme. Aber es gibt ein Detail. Lineare Veränderungfrei auftritt, wenn der Körper nicht von der Reibungskraft beeinflusst wird. Die Schienen sind fest mit den Schwellen verbunden und mit angrenzenden Schienen verschweißt, sodass das Längenänderungsgesetz die Überwindung von Hindernissen in Form von Linien- und Stoßwiderständen berücksichtigt.
Wenn eine Schiene ihre Länge nicht ändern kann, dann erhöht sich bei einer Temperaturänderung die thermische Spannung in ihr, die sie sowohl dehnen als auch stauchen kann. Dieses Phänomen wird durch das Hookesche Gesetz beschrieben.
