التمدد الحراري: المعامل والأنواع والتمارين - جسدي - بدني - 2026

في التمدد الحراري هو زيادة أو الاختلاف من مختلف أبعاد متري (مثل الطول أو الحجم) التي تخضع لكائن مادي أو الجسم. تحدث هذه العملية بسبب زيادة درجة الحرارة المحيطة بالمادة. في حالة التمدد الخطي ، تحدث هذه التغييرات في بعد واحد فقط.

يمكن قياس معامل هذا التمدد بمقارنة قيمة الحجم قبل العملية وبعدها. تعاني بعض المواد من عكس التمدد الحراري. أي يصبح "سلبي". يقترح هذا المفهوم أن بعض المواد تنكمش عند تعرضها لدرجات حرارة معينة.

التمدد الحراري في الماء

بالنسبة للمواد الصلبة ، يتم استخدام معامل التمدد الخطي لوصف تمددها. من ناحية أخرى ، بالنسبة للسوائل ، يتم استخدام معامل التمدد الحجمي لإجراء الحسابات.

في حالة المواد الصلبة المتبلورة ، إذا كانت متساوية القياس ، فسيكون التمدد عامًا في جميع أبعاد البلورة. إذا لم تكن متساوية القياس ، فيمكن العثور على معاملات تمدد مختلفة في جميع أنحاء الزجاج ، وسوف يتغير حجمها عندما تتغير درجة الحرارة.

معامل التمدد الحراري

يُعرَّف معامل التمدد الحراري (Y) على أنه نصف قطر التغيير الذي تمر به المادة بسبب التغير في درجة حرارتها. يتم تمثيل هذا المعامل بالرمز α للمواد الصلبة و للسوائل ، ويسترشد بالنظام الدولي للوحدات.

تختلف معاملات التمدد الحراري عندما يتعلق الأمر بالصلب أو السائل أو الغاز. كل واحد له خصوصية مختلفة.

على سبيل المثال ، يمكن رؤية تمدد مادة صلبة بطول الطول. يعتبر المعامل الحجمي من أبسط المعامل من حيث السوائل ، والتغيرات ملحوظة في جميع الاتجاهات ؛ يستخدم هذا المعامل أيضًا عند حساب تمدد الغاز.

التمدد الحراري السلبي

يحدث التمدد الحراري السلبي في بعض المواد التي تتقلص بسبب درجات الحرارة المنخفضة بدلاً من الزيادة في الحجم مع درجات الحرارة المرتفعة.

عادة ما يُرى هذا النوع من التمدد الحراري في الأنظمة المفتوحة حيث يتم ملاحظة التفاعلات الاتجاهية - كما في حالة الجليد - أو في المركبات المعقدة - كما يحدث مع بعض الزيوليت ، Cu2O ، من بين أمور أخرى.

وبالمثل ، أظهرت بعض الأبحاث أن التمدد الحراري السالب يحدث أيضًا في المشابك أحادية المكون في شكل مضغوط وبتفاعل قوة مركزية.

يمكن رؤية مثال واضح على التمدد الحراري السلبي عندما نضيف الثلج إلى كوب من الماء. في هذه الحالة ، لا تتسبب درجة حرارة السائل المرتفعة على الجليد في أي زيادة في الحجم ، بل يتم تقليل حجم الجليد.

أنواع

عند حساب تمدد جسم مادي ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه ، اعتمادًا على التغير في درجة الحرارة ، يمكن أن يزيد الجسم المذكور أو يتقلص في الحجم.

لا تتطلب بعض الكائنات تغييرًا جذريًا في درجة الحرارة لتغيير حجمها ، لذلك من المحتمل أن تكون القيمة التي تُرجعها الحسابات متوسطة.

مثل أي عملية ، ينقسم التمدد الحراري إلى عدة أنواع تشرح كل ظاهرة على حدة. في حالة المواد الصلبة ، فإن أنواع التمدد الحراري هي التمدد الخطي ، والتمدد الحجمي ، والتوسع السطحي.

تمدد خطي

يسود اختلاف واحد في التمدد الخطي. في هذه الحالة ، الوحدة الوحيدة التي تخضع للتغيير هي ارتفاع الكائن أو عرضه.

تتمثل إحدى الطرق السهلة لحساب هذا النوع من التمدد في مقارنة قيمة المقدار قبل تغير درجة الحرارة بقيمة المقدار بعد تغير درجة الحرارة.

التمدد الحجمي

في حالة التمدد الحجمي ، تتمثل طريقة حسابه في مقارنة حجم السائل قبل تغير درجة الحرارة مع حجم السائل بعد تغير درجة الحرارة. الصيغة لحسابها هي:

اتساع السطح أو المنطقة

في حالة تمدد السطح ، لوحظ زيادة في مساحة الجسم أو الجسم بسبب تغير درجة حرارته عند 1 درجة مئوية.

يعمل هذا التمدد على المواد الصلبة. إذا كان لدينا أيضًا المعامل الخطي ، فيمكننا أن نرى أن حجم الجسم سيكون أكبر مرتين. الصيغة لحسابها هي:

أ _و = أ ₀

في هذا التعبير:

γ = معامل تمدد المساحة

أ ₀ = المنطقة الأولية

أ _و = المنطقة النهائية

T ₀ = درجة الحرارة الأولية.

T _f = درجة الحرارة النهائية

الفرق بين تمدد المساحة والتمدد الخطي هو أنه في الأول ترى تغيرًا في الزيادة في مساحة الجسم ، وفي الثانية يكون التغيير لوحدة قياس واحدة (مثل الطول أو عرض الجسم المادي).

أمثلة

التمرين الأول (التمدد الخطي)

يبلغ طول القضبان التي يتألف منها مسار قطار مصنوع من الفولاذ 1500 م. ماذا سيكون خط الطول عندما ترتفع درجة الحرارة من 24 إلى 45 درجة مئوية؟

المحلول

البيانات:

Lο (الطول الأولي) = 1500 م

L _f (الطول النهائي) =؟

Tο (درجة الحرارة الأولية) = 24 درجة مئوية

T _f (درجة الحرارة النهائية) = 45 درجة مئوية

α (معامل التمدد الخطي المقابل للصلب) = 11 × 10 ^-6 درجة مئوية ^-1

يتم استبدال البيانات بالصيغة التالية:

ومع ذلك ، يجب أن تعرف أولاً قيمة فرق درجة الحرارة ، لتضمين هذه البيانات في المعادلة. لتحقيق هذا الفرق ، يجب طرح أعلى درجة حرارة من الأدنى.

Δt = 45 درجة مئوية - 24 درجة مئوية = 21 درجة مئوية

بمجرد معرفة هذه المعلومات ، يمكن استخدام الصيغة السابقة:

Lf = 1500 م (1 + 21 درجة مئوية 11 × 10 ^-6 درجة مئوية ^-1)

Lf = 1500 م (1 + 2.31 × 10 ^-4)

Lf = 1500 م (1،000231)

Lf = 1500.3465 م

التمرين الثاني (تمدد سطحي)

تبلغ مساحة متجر الزجاج في المدرسة الثانوية 1.4 متر مربع ، إذا كانت درجة الحرارة 21 درجة مئوية. ماذا ستكون مساحته النهائية عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 35 درجة مئوية؟

المحلول

Af = A0

Af = 1.4 م ² 204.4 × 10 ^-6]

Af = 1.4 م ². 1،0002044

Af = 1.40028616 م ²

لماذا يحدث التمدد؟

يعلم الجميع أن كل المواد تتكون من جسيمات دون ذرية مختلفة. من خلال تغيير درجة الحرارة ، إما برفعها أو خفضها ، تبدأ هذه الذرات عملية حركة يمكنها تعديل شكل الجسم.

عندما ترتفع درجة الحرارة ، تبدأ الجزيئات في التحرك بسرعة بسبب زيادة الطاقة الحركية ، وبالتالي سيزداد شكل أو حجم الجسم.

في حالة درجات الحرارة السلبية ، يحدث العكس ، في هذه الحالة يميل حجم الجسم إلى الانكماش بسبب درجات الحرارة المنخفضة.

المراجع

1. التمدد الخطي والسطحي والحجمي - تمارين. تم الحل تم استرداده في 8 مايو 2018 من Fisimat: fisimat.com.mx
2. تمدد سطحي - تمارين محلولة. تم الاسترجاع في 8 مايو 2018 ، من Fisimat: fisimat.com.mx
3. التمدد الحراري. تم الاسترجاع في 8 مايو 2018 ، من Encyclopædia Britannica: britannica.com
4. التمدد الحراري. تم الاسترجاع في 8 مايو 2018 ، من Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. التمدد الحراري. تم الاسترجاع في 8 مايو 2018 ، من Lumen Learning: course.lumenlearning.com
6. التمدد الحراري. تم الاسترجاع في 8 مايو 2018 ، من The Physics Hypertextbook: physics.info
7. التمدد الحراري. تم الاسترجاع في 8 مايو 2018 ، من ويكيبيديا: en.wikipedia.org.