هل يعمل مقياس الحرارة على مبدأ التمدد والانكماش الحراري؟
نعم طبعا ميزان الحرارة يعمل على مبدأ التمدد الحراري والانكماش الحراري. مقياس الحرارة أو الترمومتر هو أداة صغيرة تقيس الحرارة، ويستخدم في العديد من المجالات الطبية والصناعية، وحتى لتحديد درجة حرارة الطقس. تم اختراع مقياس الحرارة من قبل العالم الإيطالي جاليليو، وكان هذا في بداية القرن السادس عشر، ومن خلاله عرفت درجة حرارة السوائل والغازات والمواد الصلبة.
ما هي عملية التمدد الحراري؟
وهي من الخصائص المميزة للمواد التي تميل إلى الزيادة في الحجم، وهذا يحدث نتيجة ارتفاع درجة حرارتها، وهذا يحدث بشكل طبيعي، عندما تزداد درجة حرارة مادة مصنفة على أنها معادن، تبدأ الجزيئات الموجودة بداخلها لتحويل تلك الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية جزئية، الأمر الذي يؤدي إلى زيادة حركة الجزيئات داخل المعدن، مع هذه الزيادة في حركة الجسيمات، تبدأ الفراغات بين جزيئات هذه المواد بالنمو تدريجياً، والتي تنتهي في النهاية مع زيادة حجم المادة، ويتم حساب مدى قدرة المادة على التمدد الحراري باستخدام “معامل التمدد الحراري”. “إنها خاصية مميزة للمواد، حيث أن لكل مادة معامل التمدد الحراري الخاص بها.
عملية التمدد الحراري السلبي
تتقلص المواد بعد تسخينها ضمن نطاقات درجة حرارة محددة، وتسمى هذه العملية “الانكماش الحراري” أو عملية التمدد الحراري السلبي، ومن أشهر هذه المواد الماء. ينخفض معدل التمدد الحراري للماء ويصبح سالبًا عندما يتحرك بعيدًا عن الصفر درجة مئوية. مما يجعل كتلة الماء عند ارتفاع درجة حرارتها يؤدي إلى تقليل حجمها، والعكس صحيح، فعند تعرضها لدرجات حرارة أقل من الصفر مئوية، فإنها تبدأ في التمدد، مما يجعلك ترى زجاجة مغلقة تحتوي على ماء مكسورة. وذلك بسبب تمدد الماء بداخله لدرجة عدم قدرة الزجاجة على حمله.
العوامل المؤثرة على التمدد الحراري
ينخفض معدل التمدد الحراري بشكل عام عندما تزداد طاقة الرابطة الجزيئية، مما يتسبب في تأثير على نقطة انصهار المواد الصلبة، مما يجعل من المحتمل أن يكون للمواد التي تحتاج إلى نقاط انصهار عالية معدل منخفض من التمدد الحراري، يمكن أن يؤثر تأثير امتصاص الماء أو أحد المذيبات الأخرى على حجم المادة بدرجة أكبر في النسبة التي تزيد بها المادة عن طريق التمدد الحراري.
ما هي عملية الانكماش الحراري؟
إنها العملية المعاكسة لعملية التمدد، حيث تتعرض المواد لدرجات حرارة منخفضة، وتبدأ جزيئات المواد في تلك البيئة منخفضة الحرارة في تقليل طاقتها الحركية، مما يقلل الفراغات بين الجزيئات بين الجزيئات وبعضها الآخر.، مما يؤدي في النهاية إلى فقدان المادة لجزء من كتلتها، نتيجة لعملية الانكماش التي حدثت.
معامل التمدد الحراري
يصف معامل التمدد الحراري كيف يتغير حجم الجسم مع درجة حرارته، وعلى وجه الخصوص يقيس التغير النسبي الذي يحدث لحجم مادة عندما تتغير درجة حرارتها بدرجة واحدة تحت ضغط ثابت، ومعامل الحرارة الحجمية يعتبر التمدد من أبسط عمليات التمدد الحراري، ويعتبر من أهمها في السوائل بشكل عام، حيث تتمدد المواد وتنكمش عندما تتغير درجات حرارتها، وتحدث عملية التمدد والانكماش في جميع الاتجاهات. أما المعادلة الرياضية لمعامل التمدد الحراري فهي كالتالي.
ما هو الفرق بين الانكماش الحراري والتمدد الحراري
الانكماش والتوسع هما مصطلحان مختلفان تمامًا ومتناقضان، ولكل منهما طريقة تأثير تختلف عن الطريقة المعتادة للمادة، ويمكن تحديد الاختلافات بين المصطلحين من خلال معرفة الاختلافات بينهما من حيث التعريف وكيفية ذلك. تحدث – وقد ذكرنا كيف تحدث كل عملية فيها سابقًا – وهذا ما يلي.
| حسب التعريف | تحدث عملية التمدد بشكل عام بسبب ارتفاع درجة الحرارة المحيطة بالمادة، مما يؤدي في النهاية إلى استطالة أو تغيير في حجم المادة، ويتم تحديد قيمة التغيير في طول أو حجم المادة من خلال التغيير الذي يحدث لكل وحدة. | تحدث عملية الانكماش وتتجلى في شكل انخفاض في حجم وطول المادة التي تتعرض لدرجات حرارة منخفضة للغاية في البيئة المحيطة، مما يؤدي إلى تغيير جزئي في حجم أو طول المادة لكل وحدة. |
أمثلة على التمدد الحراري
هناك العديد من الأمثلة التي نواجهها في حياتنا اليومية والتي ترجع إلى عملية التمدد الحراري، ومن بين تلك الأمثلة ما يلي.
- في حالة انفجار إطار السيارة في الصيف يحدث هذا نتيجة ارتفاع مفرط في درجة الحرارة مما يؤدي إلى تمدد الغاز داخل الإطارات.
- زيادة طول الشريط المعدني عند تعرضه للحرارة والتسخين.
- وضع الفواصل المطاطية للنوافذ المعدنية.
- يزداد طول أسلاك الكهرباء في الصيف، مما يؤدي إلى تدليها.
- ظهور بعض أنواع التشققات على الطرق العامة نتيجة التعرض لأشعة الشمس المباشرة لفترات طويلة.
- ضع الفواصل التي تسمح بالتمدد عند مفصل خطي السكك الحديدية.
أمثلة على الانكماش الحراري
هناك الكثير من الأمثلة المختلفة التي نراها خلال يومنا هذا، والتي ترجع إلى عملية الانكماش الحراري، ومن بين تلك الأمثلة ما يلي.
- تقلص كتلة الزئبق في موازين الحرارة مما يساعد على إثبات تغيراتها الحرارية.
- تركيب مادة مطاطية مرنة بين الفراغات بين قوالب السيراميك وذلك لعدم وجود أي تشققات أو وصلات خارجية غير مرغوب فيها.
- عملية معالجة وتصنيع الزجاج، والتي عند تشكيلها تتشكل إلى أبعاد أكبر من الأبعاد المطلوبة، حتى تصل إلى الأبعاد المحددة عند تبريدها.
- ظهور التجاعيد على القمصان القطنية في الشتاء بسبب عملية الانكماش.
تغييرات المادة (التغيير المادي)
يحدث التغيير المادي عندما تتحول مادة ما من حالة فيزيائية إلى حالة فيزيائية أخرى دون تغيير تكوين المادة. أشهر الأمثلة على التغيير الفيزيائي هي عمليات التمدد والانكماش الحراري، بالإضافة إلى بعض العمليات الأخرى مثل ما يلي.
- الذوبان هو تحول مادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، وتسمى النقطة التي يحدث فيها التحول نقطة الانصهار.
- التجميد يفقد الجسم جزءًا من حرارته مما يؤدي إلى انخفاض معدل الطاقة الحركية بين الجزيئات مما يؤدي إلى التقارب بين الجزيئات وانخفاض معدل المرونة بين الجزيئات. باختصار، يمكن تعريف التجميد بأنه تحول مادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة عند نقطة معينة.
- هو تحول مادة من حالة سائلة إلى حالة غازية نتيجة تعرضها لدرجة حرارة عالية، ويحدث هذا غالبًا عند تعرض كمية من الماء لدرجات حرارة عالية مما يؤدي إلى تبخرها.
- التكثيف هو تحول مادة من حالتها الغازية إلى حالتها السائلة، والتي تحدث غالبًا مع بخار الماء عند تعرضها للأسطح الباردة.
- التسامي هو تحول فيزيائي تنتقل فيه جزيئات المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية دون المرور بالحالة السائلة.
لكن بشكل عام تبقى المواد في حالتها الطبيعية ما لم يحدث أي تغيير في البيئة المحيطة مما يؤدي إلى فقدانها أو اكتسابها للطاقة.