ما هي التطبيقات التي يمكن أن يستفاد منها من تمدد الأجسام الصلبة؟

1 إجابة واحدة

نحن نعلم أن المادة موجودة في ثلاث حالات مختلفة، الحالة الصلبة والسائلة والغازية، كلما تم تقديم طاقة حرارية لأي من الحالات، كان هناك زيادة في الحجم وهذا يسمى بالتمدد، السبب الأساسي للتمدد بسيط، يمكن شرحه على الشكل التالي: تحتوي الحالات المختلفة للمادة على جزيئات وروابط معينة بينها، كلما زادت درجة الحرارة  سوف تزداد بشكل دائم المسافة بين الجزيئات مما يؤدي إلى تمدد المادة.

في حالة المادة الصلبة تكون قوة الجذب بين الجزيئات قوية جدًا والجزيئات مرتبطة بإحكام شديد مع بعضها البعض، وعندما يتم تقديم الطاقة الحرارية، تمتص جزيئات المادة الطاقة الحرارية وتبدأ في الاهتزاز حول مركز الوسط لكل جزيء، وعندما يتم سحب الطاقة الحرارية، من المفترض أن تعود الجزيئات إلى وضعها الأصلي ويفترض أيضًا أن يعود الجسم على حالته الأصلية، ولكن بسبب الطبيعة غير التوافقية لاهتزاز الجزيئات، هناك زيادة دائمة في المسافة بين الجزيئات، وبسبب نقص المرونة المثالية، لا تستطيع الجزيئات العودة إلى مواقعها الأصلية مما يؤدي إلى تمدد دائم.

يمكن للمادة الصلبة أن تتمدد طوليًا وتتمدد مساحيًا وتتمدد حجميًا. لقياس التمدد طوليًا لدينا معامل التمدد الخطي، ولقياس التمدد بالمساحة لدينا معامل التمدد العام، لقياس تمدد الحجم لدينا معامل التمدد الحجمي.

يتم تعريف معامل التمدد الخطي على أنه: نسبة زيادة طول المادة إلى طولها الأصلي بسبب ارتفاع درجة الحرارة  1 درجة مئوية، يمكن قياسه بوحدة C° درجة مئوية أو K°درجة كلفن.

يتم تعريف معامل التمدد المساحي على أنه: نسبة الزيادة في مساحة المادة إلى مساحتها الأصلية لكل ارتفاع في درجة الحرارة بمقدار 1 درجة مئوية.

بينما يعرف معامل التمدد الحجمي على أنه نسبة الزيادة في حجم المادة إلى حجمها الأصلي لكل ارتفاع في درجة الحرارة بمقدار 1 درجة مئوية.

تعتمد جميع معاملات التمدد هذه على طبيعة المادة ولكنها مستقلة عن الأبعاد المادية للجسم، يمكن أن نلاحظ بوضوح أن معامل التمدد الحجمي هو ثلاثة أضعاف و معامل التمدد المساحي هو ضعف معامل التمدد الخطي.

ويستخدم تمدد المواد الصلبة في حياتنا اليومية في العديد من المجالات:

  • على سبيل المثال، يتم ربط الأسلاك الهاتفية والكهربائية بشكل غير محكم قليلًا بين أي من القطبين، هذا ببساطة لأنه مع انخفاض درجة الحرارة في فصل الشتاء، تتقلص الأسلاك، وإذا تم ربطها بإحكام فإن ذلك سيصبح أكثر إحكامًا وقد ينكسر. ولتجنب هذه المشكلة، تم ربطها بشكل غير محكم.
  • دائمًا ما تبقى فجوة صغيرة بين القضبان على خطوط السكة الحديدية و في فصل الصيف ومع زيادة درجة الحرارة تتمدد حيث تتكون هذه المواد من المعادن، تم إصلاح المشكلة بأن أحد طرفي السكة وطرف آخر به فجوة صغيرة مع الطرف التالي، يمكن أن يحدث التوسع في الفجوة وبالتالي سيبقى المسار على حاله.
  • يستخدم التنغستن كخيوط في المصابيح الزجاجية الكهربائية، يكون معامل التمدد الخطي للزجاج قريبًا من معامل التمدد التنغستن، لذلك مع زيادة درجة الحرارة، يتمدد كلاهما بالتساوي بحيث لا يحصل فشل في الاستخدام لفترة طويلة.
  • عندما يرش الماء على زجاج مدخنة ساخنة فقط عند نقاط معينة، ينقبض الزجاج وهذا هو سبب انكسار الزجاج.
  • فقدان أو كسب الوقت باستخدام ساعة البندول: تتكون ساعة البندول من بندول مصنوع من معدن. وفي الصيف عندما ترتفع درجة الحرارة، يزداد طول البندول، وبالتالي تزداد الفترة الزمنية أيضًا. هذا يعني أن الأمر سيستغرق مزيدًا من الوقت لإجراء تذبذب واحد، بالتالي سيحدث عدد أقل من التذبذبات في وقت معين، وسيظهر وقت أقل من المطلوب عند رفع درجة الحرارة. وفي فصل الشتاء تنخفض درجة الحرارة وبالتالي يتذبذب البندول بشكل أسرع مما هو مطلوب. يمكننا قياس خسارة أو ربح الوقت اعتمادًا على معادلة الفترة الزمنية للبندول باستخدام مفهوم أن الفترة الزمنية تتناسب طرديًا مع الجذر التربيعي للطول.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما هي التطبيقات التي يمكن أن يستفاد منها من تمدد الأجسام الصلبة؟"؟