ما هو التوسيع الحجمي؟ (مع أمثلة) - جسدي - بدني - 2025

و توسع حجم هو ظاهرة فيزيائية تنطوي على تغيير في الأبعاد الثلاثة للهيئة. يزداد حجم أو أبعاد معظم المواد عند تعرضها للحرارة ؛ تُعرف هذه الظاهرة باسم التمدد الحراري ، ولكن هناك أيضًا مواد تتقلص عند تسخينها.

على الرغم من أن التغييرات في الحجم صغيرة نسبيًا بالنسبة للمواد الصلبة ، إلا أنها ذات أهمية تقنية كبيرة ، خاصة في المواقف التي يكون من المطلوب فيها دمج المواد التي تتوسع بشكل مختلف.

يتشوه شكل بعض المواد الصلبة عند تسخينها ويمكن أن تتمدد في بعض الاتجاهات وتتقلص في اتجاهات أخرى. ومع ذلك ، عندما يكون هناك تمدد فقط في عدد معين من الأبعاد ، فهناك تصنيف لهذه التوسعات:

• يحدث التمدد الخطي عندما يسود التباين في بُعد معين ، مثل طول الجسم أو عرضه أو ارتفاعه.
• اتساع السطح هو الذي يسود فيه التباين في اثنين من الأبعاد الثلاثة.
• أخيرًا ، يشير التمدد الحجمي إلى اختلاف في الأبعاد الثلاثة للجسم.

المفاهيم الأساسية المتعلقة بالتمدد الحراري

طاقة حرارية

تتكون المادة من ذرات في حركة مستمرة ، إما متحركة أو تهتز. الطاقة الحركية (أو الحركة) التي تتحرك بها الذرات تسمى الطاقة الحرارية ، وكلما زادت سرعة حركتها ، زادت الطاقة الحرارية لديها.

الحار

الحرارة هي الطاقة الحرارية المنقولة بين مادتين أو أكثر أو من جزء من مادة إلى آخر على نطاق عياني. هذا يعني أن الجسم الساخن يمكن أن يتخلى عن جزء من طاقته الحرارية ويؤثر على الجسم القريب منه.

تعتمد كمية الطاقة الحرارية المنقولة على طبيعة الجسم القريب والبيئة التي تفصل بينهما.

درجة الحرارة

يعتبر مفهوم درجة الحرارة أساسيًا لدراسة تأثيرات الحرارة ، ودرجة حرارة الجسم هي مقياس قدرته على نقل الحرارة إلى أجسام أخرى.

جسمان على اتصال متبادل أو منفصلان بواسطة وسيط مناسب (موصل حراري) سيكونان في نفس درجة الحرارة إذا لم يكن هناك تدفق حراري بينهما. وبالمثل ، ستكون درجة حرارة الجسم X أعلى من درجة حرارة الجسم Y إذا كانت الحرارة تتدفق من X إلى Y.

ما هي الخصائص الأساسية للتمدد الحراري؟

من الواضح أنه مرتبط بتغير درجة الحرارة ، فكلما ارتفعت درجة الحرارة ، زاد التمدد. يعتمد أيضًا على التركيب الداخلي للمادة ، في مقياس الحرارة ، يكون تمدد الزئبق أكبر بكثير من تمدد الزجاج الذي يحتوي عليه.

ما هو السبب الأساسي للتمدد الحراري؟

تشير الزيادة في درجة الحرارة إلى زيادة الطاقة الحركية للذرات الفردية في المادة. في المادة الصلبة ، على عكس الغاز ، تكون الذرات أو الجزيئات متقاربة معًا ، لكن طاقتها الحركية (على شكل اهتزازات صغيرة وسريعة) تفصل الذرات أو الجزيئات عن بعضها البعض.

يصبح هذا الفصل بين الذرات المتجاورة أكبر وأكبر وينتج عنه زيادة في حجم المادة الصلبة.

بالنسبة لمعظم المواد في الظروف العادية ، لا يوجد اتجاه مفضل يحدث فيه التمدد الحراري ، وستؤدي زيادة درجة الحرارة إلى زيادة حجم المادة الصلبة بجزء معين في كل بُعد.

تمدد خطي

أبسط مثال على التمدد هو التوسع في بعد واحد (خطي). من الناحية التجريبية وجد أن التغيير في طول ΔL من مادة يتناسب مع التغير في درجة الحرارة ΔT والطول الأولي Lo (الشكل 1). يمكننا تمثيل هذا بالطريقة التالية:

DL = aLoDT

حيث α هو معامل التناسب يسمى معامل التمدد الخطي وهو خاصية لكل مادة. بعض قيم هذا المعامل موضحة في الجدول أ.

يكون معامل التمدد الخطي أعلى بالنسبة للمواد التي تشهد تمددًا أكبر لكل درجة مئوية ترتفع فيها درجة حرارتها.

تمدد سطحي

عند أخذ طائرة داخل جسم صلب ، بحيث يكون هذا المستوى هو الذي يخضع للتمدد الحراري (الشكل 2) ، يتم إعطاء التغيير في المنطقة ΔA من خلال:

DA = 2aA0

حيث ΔA هو التغير في المنطقة الأولية Ao ، T هو التغير في درجة الحرارة ، و α هو معامل التمدد الخطي.

التمدد الحجمي

كما في الحالات السابقة ، يمكن تقريب التغيير في الحجم ΔV مع العلاقة (الشكل 3). عادة ما تكتب هذه المعادلة على النحو التالي:

DV = bVoDT

حيث β هو معامل التمدد الحجمي ويساوي تقريبًا 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2 ، تظهر قيم معاملات التمدد الحجمي لبعض المواد.

بشكل عام ، سوف تتمدد المواد في ظل ارتفاع درجة الحرارة ، والماء هو الاستثناء الأكثر أهمية لهذه القاعدة. يتمدد الماء عندما ترتفع درجة حرارته عندما تزيد عن 4 درجات مئوية.

ومع ذلك ، فإنه يتوسع أيضًا عندما تنخفض درجة حرارته في حدود 4 درجات مئوية إلى 0 درجة مئوية. يمكن ملاحظة هذا التأثير عند وضع الماء في الثلاجة ، ويتمدد الماء عندما يتجمد ويصعب إزالة الجليد من الحاوية بسبب هذا التمدد.

أمثلة

يمكن أن تؤدي الاختلافات في التمدد الحجمي إلى تأثيرات مثيرة للاهتمام في محطة الوقود. مثال على ذلك هو البنزين الذي يقطر في خزان تم ملؤه للتو في يوم حار.

يبرد البنزين الخزان الفولاذي عند سكبه ، ويتمدد كل من البنزين والخزان مع درجة حرارة الهواء المحيط. ومع ذلك ، فإن البنزين يتمدد بشكل أسرع بكثير من الفولاذ ، مما يتسبب في تسربه من الخزان.

يمكن أن يتسبب الاختلاف في التمدد بين البنزين والخزان الذي يحتوي عليه في حدوث مشكلات عند قراءة مقياس مستوى الوقود. تكون كمية البنزين (الكتلة) المتبقية في الخزان عندما يصل المقياس فارغًا أقل بكثير في الصيف منها في الشتاء.

يحتوي البنزين على نفس الحجم في كلتا المحطتين عندما يضيء ضوء التحذير ، ولكن نظرًا لأن البنزين يتمدد خلال الصيف ، فإن كتلته أقل.

على سبيل المثال ، يمكنك التفكير في خزان غاز فولاذي كامل ، بسعة 60 لترًا. إذا كانت درجة حرارة الخزان والبنزين 15 درجة مئوية ، فما كمية البنزين التي ستنسكب عندما تصل درجة الحرارة إلى 35 درجة مئوية؟

سيزداد حجم الخزان والبنزين بسبب زيادة درجة الحرارة ، لكن سيزداد البنزين أكثر من الخزان. لذلك سيكون البنزين المسكوب هو الاختلاف في تغيرات الحجم. يمكن بعد ذلك استخدام معادلة التمدد الحجمي لحساب تغيرات الحجم:

عندئذٍ يكون الحجم المسكوب بسبب زيادة درجة الحرارة:

بدمج هذه المعادلات الثلاث في واحد ، لدينا:

من الجدول 2 ، يتم الحصول على قيم معامل التمدد الحجمي ، مع استبدال القيم:

على الرغم من أن هذه الكمية من البنزين المنسكب ضئيلة نسبيًا مقارنة بخزان سعة 60 لترًا ، إلا أن التأثير مثير للدهشة ، حيث يتمدد البنزين والصلب بسرعة كبيرة.

فهرس

1. Yen Ho Cho، Taylor R. التوسع الحراري للمواد الصلبة ASM International ، 1998.
2. إيباخ ، هانس لوث فيزياء الحالة الصلبة: مقدمة لمبادئ علوم المواد Springer Science & Business Media ، 2003.
3. Halliday D. ، Resnick R. ، Krane K. Physics ، Volume 1. Wiley ، 2001.
4. مارتن سي مارتن ، تشارلز أ.هيويت ، عناصر الفيزياء الكلاسيكية إلسفير ، 2013.
5. Zemansky Mark W. الحرارة والديناميكا الحرارية. افتتاحية Aguilar ، 1979.