انبساط حرارتی (Thermal Expansion): تغییر اندازه اجسام با تغییر دما
آیا تا به حال به این فکر کرده‌اید که چرا پل‌های فلزی یا خطوط راه‌آهن در روزهای گرم تابستان خمیده و منبسط می‌شوند؟ یا اینکه چرا شیشه‌ای که خیلی سریع گرم یا سرد شود، ممکن است ترک بخورد؟ پاسخ این پدیده‌ها در مفهوم انبساط حرارتی نهفته است. انبساط حرارتی به ما توضیح می‌دهد که چگونه اجسام و مواد مختلف در اثر تغییر دما تغییر اندازه می‌دهند. در این مقاله، ما این مفهوم را به زبان ساده بررسی می‌کنیم، فرمول‌های مربوط به آن را توضیح می‌دهیم و با مثال‌های روزمره به فهم بهتر آن کمک می‌کنیم.
تعریف انبساط حرارتی
انبساط حرارتی به معنای افزایش یا کاهش اندازه‌ی یک جسم به دلیل تغییر دما است. وقتی دمای یک جسم افزایش می‌یابد، انرژی جنبشی ذرات آن افزایش پیدا می‌کند و این امر باعث افزایش فاصله بین ذرات می‌شود. در نتیجه، جسم منبسط می‌شود. در مقابل، کاهش دما باعث کاهش انرژی جنبشی و در نتیجه انقباض جسم می‌شود.
این پدیده تقریباً در همه‌ی مواد رخ می‌دهد، اما میزان تغییر اندازه در مواد مختلف متفاوت است و به ویژگی‌های آن ماده بستگی دارد.
فرمول انبساط خطی و حجمی
در فیزیک، انبساط حرارتی به دو صورت انبساط خطی (برای ابعاد طولی مانند طول، عرض و ارتفاع) و انبساط حجمی (برای حجم اجسام) بررسی می‌شود.
انبساط خطی
اگر دمای یک جسم تغییر کند، طول آن جسم نیز تغییر خواهد کرد. میزان این تغییر را می‌توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:
![\[\Delta L = L \alpha \Delta T\]](https://mahmouddehghanpour.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-a2916ec471a07fc43d6df98c8477dd3c_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
در این فرمول:
تغییر طول جسم است.
طول اولیه جسم است.
ضریب انبساط خطی ماده است.
تغییر دما است.
ضریب انبساط خطی () یک ثابت برای هر ماده است که نشان می‌دهد ماده به چه میزان با تغییر دما منبسط می‌شود. هرچه این مقدار بزرگتر باشد، ماده با تغییر دما بیشتر منبسط یا منقبض می‌شود.
انبساط حجمی
برای مواد سه‌بعدی مانند مایعات یا جامدات که حجم مشخصی دارند، تغییر دما باعث تغییر حجم می‌شود. رابطه این تغییر به صورت زیر است:
![\[\Delta V = V \beta \Delta T\]](https://mahmouddehghanpour.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-d9146eee3daa3e1d9af9969a327df89a_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
در این فرمول:
تغییر حجم جسم است.
حجم اولیه جسم است.
ضریب انبساط حجمی ماده است.
تغییر دما است.
نکته مهم این است که برای بیشتر مواد، ضریب انبساط حجمی سه برابر ضریب انبساط خطی است، یعنی:
![\[\beta = 3 \alpha\]](https://mahmouddehghanpour.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-eb6d05ebb6b5e2a8468ae8180c4eac6c_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
عوامل مؤثر بر انبساط حرارتی
نوع ماده
ضریب انبساط حرارتی هر ماده متفاوت است. برای مثال، فلزات معمولاً ضریب انبساط حرارتی بالایی دارند، در حالی که شیشه و سرامیک ضریب کمتری دارند. به همین دلیل است که قطعات فلزی در دستگاه‌ها به راحتی با تغییر دما تغییر اندازه می‌دهند.
حالت ماده (جامد، مایع، گاز)
حالت ماده نقش مهمی در رفتار انبساط حرارتی ایفا می‌کند. در مواد جامد، ذرات به یکدیگر نزدیک‌تر هستند و تغییرات کمتر است. در مقابل، مایعات و به ویژه گازها با افزایش دما بسیار بیشتر منبسط می‌شوند. برای مثال، هوای گرم حجم بیشتری نسبت به هوای سرد دارد.
دمای اولیه
میزان تغییر اندازه یک جسم با توجه به دمای اولیه آن نیز ممکن است متفاوت باشد. اگر جسمی در دمای پایین باشد، ممکن است با افزایش دما تغییر بیشتری نشان دهد.
مثال‌های روزمره انبساط حرارتی
خطوط راه‌آهن و پل‌ها
یکی از مثال‌های معروف انبساط حرارتی در سازه‌های بزرگ فلزی مانند خطوط راه‌آهن و پل‌ها دیده می‌شود. در روزهای گرم تابستان، به دلیل افزایش دما، فلزات منبسط می‌شوند و اگر برای این انبساط جاگذاری نشود، ممکن است به ترک یا خمیدگی منجر شود. به همین دلیل در ساخت خطوط راه‌آهن، فضای کوچکی بین ریل‌ها در نظر گرفته می‌شود تا در اثر انبساط از تغییرات ناخواسته جلوگیری شود.
ترمومترهای جیوه‌ای
یک ترمومتر جیوه‌ای ساده نیز مثالی از انبساط حرارتی است. با افزایش دما، جیوه درون ترمومتر منبسط می‌شود و به سمت بالا حرکت می‌کند و دما را نشان می‌دهد. این پدیده نشان‌دهنده افزایش حجم مایع جیوه با افزایش دما است.
شیشه‌های ترک خورده
زمانی که یک شیشه داغ را ناگهان در آب سرد قرار می‌دهیم، ممکن است شیشه ترک بخورد. دلیل این امر تفاوت در انبساط حرارتی بخش‌های مختلف شیشه است. سطح بیرونی شیشه به سرعت سرد و منقبض می‌شود، در حالی که داخل شیشه هنوز گرم و منبسط است. این تفاوت در انبساط و انقباض باعث ایجاد تنش و در نتیجه ترک خوردگی می‌شود.
سوالاتی برای تفکر بیشتر
- چرا ضریب انبساط حرارتی مواد مختلف متفاوت است؟ این تفاوت چه تأثیری در طراحی وسایل مختلف دارد؟
- اگر طول اولیه یک جسم فلزی ۱ متر باشد و آن را ۱۰ درجه سلسیوس گرم کنیم، با فرض اینکه ضریب انبساط خطی آن ۰.۰۰۰۰۱۲ باشد، طول جدید جسم چقدر خواهد بود؟
- آیا گازها همیشه بیشتر از جامدات منبسط می‌شوند؟ چه عواملی می‌تواند باعث تفاوت در انبساط گازها شود؟
کاربردهای انبساط حرارتی در صنعت
ساخت قطعات ماشین‌آلات
در ساخت قطعات فلزی مانند میل‌لنگ و بلبرینگ‌ها، نیاز به در نظر گرفتن انبساط حرارتی بسیار مهم است. در غیر این صورت، افزایش دما می‌تواند باعث گیر کردن قطعات یا تغییر شکل آنها شود.
ساخت آینه‌های تلسکوپ
آینه‌های بزرگ تلسکوپ‌ها نیز باید در برابر تغییرات دما مقاوم باشند. اگر انبساط حرارتی در نظر گرفته نشود، ممکن است آینه‌ها تغییر شکل دهند و تصویر را تحریف کنند. به همین دلیل از موادی با ضریب انبساط بسیار پایین مانند شیشه‌های خاص برای ساخت این آینه‌ها استفاده می‌شود.
چگونه از انبساط حرارتی در زندگی روزمره استفاده کنیم؟
یکی از کاربردهای جالب انبساط حرارتی در زندگی روزمره، استفاده از آن برای باز کردن درب‌های گیر کرده است. اگر درب فلزی یک ظرف به دلیل سرد شدن گیر کند، می‌توان با گرم کردن درب (مثلاً با قرار دادن آن در آب گرم)، آن را منبسط کرد و به راحتی باز کرد.
ساخت وسایل آشپزی
در طراحی وسایل آشپزی مانند تابه‌ها و قابلمه‌ها نیز باید انبساط حرارتی در نظر گرفته شود. وسایلی که از فلزات ساخته شده‌اند، با افزایش دما منبسط می‌شوند و اگر این انبساط به درستی مدیریت نشود، ممکن است باعث تغییر شکل وسیله یا حتی ترک آن شود.
جمع‌بندی
انبساط حرارتی پدیده‌ای است که در زندگی روزمره همه ما تأثیرگذار است. با افزایش یا کاهش دما، اندازه اجسام تغییر می‌کند و این تغییرات می‌تواند در مواردی بسیار مفید و در مواردی خطرناک باشد. با شناخت دقیق این پدیده و درک اصول آن، می‌توانیم در طراحی و استفاده از وسایل و سازه‌های مختلف دقت بیشتری داشته باشیم و از تغییرات غیرمنتظره جلوگیری کنیم.
در نهایت، آیا تا به حال به این فکر کرده‌اید که چگونه می‌توان از این مفهوم در بهبود وسایل روزمره یا حتی نوآوری‌های صنعتی بهره برد؟ اگر دمای یک محیط به شدت تغییر کند، چه تدابیری می‌توان برای جلوگیری از خرابی وسایل یا سازه‌ها اندیشید؟
این سوالات ممکن است به شما کمک کند تا مفاهیم انبساط حرارتی را در زندگی خود بهتر درک کنید و به کار ببرید.
