هل يعمل مقياس الحرارة على مبدأ التمدد الحراري والانكماش الحراري
نعم بالطبع يعمل مقياس الحرارة على مبدأ التمدد الحراري والانكماش الحراري، ومقياس الحرارة أو الترمومتر هو أداة صغيرة تعمل على قياس الحرارة، ويتم استخدامها في الكثير من المجالات الطبية والصناعية، وحتى لتحديد درجة حرارة الطقس، وقد تم اختراع مقياس الحرارة من قبل العالم الإيطالي جاليليو، وكان ذلك في بداية القرن السادس عشر، وتم عن طريقه معرفة درجة حرارة السوائل والغازات والمواد الصلبة.
ما هي عملية التمدد الحراري
هي إحدى الخصائص المميزة للمواد التي تميل إلى حدوث زيادة في الحجم، وذلك يحدث نتيجة ارتفاع درجة حرارتها، ويحدث ذلك بشكل طبيعي، فعند زيادة درجة حرارة مادة من المواد التي تصنف من الفلزات، تبدأ الجزيئات داخلها بتحويل تلك الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية جزئية، ما يؤدي إلى زيادة حركة الجزيئات داخل المعدن، مع تلك الزيادة في حركة الجزيئات تبدأ المسافات البينية بين جزيئات تلك المواد في الكبر شيئاً فشيئاً، الأمر الذي ينتهي في النهاية بزيادة حجم المادة، ويتم حساب مدى قدرة المادة على التمدد الحراري عن طريق استخدام “معامل التمدد الحراري” وهو يعد خاصية مميزة للمواد، فلكل مادة معامل تمدد حراري خاص بها.
عملية التمدد الحراري السلبي
تتقلص بعد المواد عند تسخينها ضمن مجالات محددة لدرجات الحرارة، ويتم تسمية تلك العملية بعملية “التقلص الحراري” أو عملية التمدد الحراري السلبي”، ومن أشهر تلك المواد هي المياه، فمعدل التمدد الحراري للماء ينخفض ويصبح سالباً كلما ابتعد عن درجة حرارة الصفر المئوية، الأمر الذي يجعل كتلة المياه عند رفع درجة حرارتها يؤدي إلى تقليص حجمها، والعكس صحيح، فهي عندما تتعرض لدرجات حرارة أقل من الصفر المئوي تبدأ في التمدد، الأمر الذي يجعلك قد ترى زجاجة مغلقة تحتوي على الماء قد انكسرت، وذلك يرجع لتمدد الماء داخلها للدرجة التي لم تتمكن الزجاجة من استيعابها.
العوامل المؤثرة على التمدد الحراري
ينخفض معدل التمدد الحراري بشكل عام عند ازدياد طاقة الرابطة الجزيئية، الأمر الذي يتسبب في ترك أثر على درجة انصهار المواد الصلبة، الأمر الذي يجعل من المرجح للمواد التي تحتاج إلى درجات انصهار عالية يكون معدل تمددها الحراري قليل، كما قد يكون تأثير امتصاص المادة للماء أو أحد المذيبات الأخرى إلى التأثير في حجم المادة أكثر بشكل ملحوظ في النسبة التي تزيد بها تلك المواد بالتمدد الحراري.
ما هي عملية الانكماش الحراري
هي العملية المعاكسة لعملية التمدد، ففيها يتم تعريض المواد لدرجات حرارة منخفضة، وتبدأ جزيئات المواد الموجودة في تلك البيئة منخفضة الحرارة في تقليل طاقتها الحركية، ما يعمل على تقليص المسافات البينية بين الجزيئات وبعضها بعضاً، الأمر الذي ينتج بالنهاية إلى فقد المادة لجزء من كتلتها، نتيجة عملية الانكماش التي حدثت.
معامل التمدد الحراري
يعمل معامل التمدد الحراري على وصف كيفية تغيير حجم شيء ما مع تغير درجة الحرارة الخاصة به، وعلى وجه الخصوص فإنه يقوم بقياس التغيير النسبي الذي يحدت لحجم المادة عند تغير درجة حرارتها بمقدار درجة واحدة تحت ضغط ثابت، ويعد معامل التمدد الحراري الحجمي هو أحد أكثر معاملات التمدد الحراري بساطة، ويعتبر الأهم في الموائع بشكل عام، فتتمدد المواد وتتقلص عند تغير درجات حرارتها، وتحدث عملية التمدد والتقلص على كل الاتجاهات، أما ما يخص الصيغة الرياضية لمعامل التمدد الحراري فهو كما يلي.
ما هو الفرق بين الانكماش الحراري والتمدد الحراري
يعتبر الانكماش والتمدد مصطلحان مختلفين تماماً ومتناقضين، فلكل منهما طريقة تأثير تختلف عن الطريقة المعتادة للمادة، ويمكن حصر الفروق الموجودة بين المصطلحين عن طريق معرفة الفروق البينية فيما بينهما فيما يخص التعريف وكيفية الحدوث- وقد ذكرنا كيفية حدوث كل عملية فيهما سابقاً-، وهذا فيما يلي.
| وجه المقارنة | التمدد الحراري | الانكماش الحراري |
|---|---|---|
| من حيث التعريف | تحدث عملية التمدد بشكل عام بسبب ارتفاع درجة الحرارة المحيطة بالمادة، الأمر الذي يؤدي بالنهاية إلى حدوث استطالة أو وجود تغير في حجم المادة، ويتم تحديد قيمة التغير في طول المادة أو حجمها يتم إنسابه بالتغير الذي يحدث لكل وحدة. | تحدث عملية الانكماش وتظهر في عملية إنقاص في حجم وطول المادة التي يتم تعريضها لدرجات حرارة شديدة الانخفاض في البيئة المحيطة بها، الأمر الذي ينتج عنه حدوث تغير جزئي في حجم أو طول المادة لكل وحدة. |
أمثلة على التمدد الحراري
توجد الكثير من الأمثلة التي نصادفها في يومنا العادي والذي يرجع إلى عملية التمدد الحراري، ومن بين تلك الأمثلة ما يلي.
- في حالة انفجار أحد إطارات السيارات في فصل الصيف، وهذا يحدث نتيجة الارتفاع المبالغ فيه في درجات الحرارة، الأمر الذي يؤدي إلى تمدد الغز داخل الإطارات.
- زيادة طول الشريط المعدني عند تعريضه للحرارة وتسخينه.
- وضع فواصل مطاطية للنوافذ المعدنية.
- زيادة طول أسلاك الكهرباء في فصل الصيف، الأمر الذي ينتج عنها تدليها.
- ظهور بعض أنواع التشققات على الطرق العامة بسبب تعرضها لحرارة الشمس المباشرة لفترات زمنية طويلة.
- وضع فواصل تسمح بحدوث التمدد عند مفصل الخطين في السكك الحديدية.
أمثلة على الانكماش الحراري
توجد الكثير من الأمثلة المختلفة التي نراها خلال يومنا العادي، والذي يرجع إلى عملية الانكماش الحراري، ومن بين تلك الأمثلة ما يلي.
- انكماش كتلة الزئبق الموجودة في موازين الحرارة، الأمر الذي يساعد على إثبات التغيرات الحرارية لها.
- تركيب مادة مطاطية مرنة بين الفراغات الموجودة بين قوالب السيراميك، بسبب عدم وجود أي تشققات أو فواصل خارجية غير مرغوب فيها.
- عملية معالجة وتصنيع الزجاج، الذي عند تشكيله يتم تشكيله على أبعاد أكبر من الأبعاد المطلوبة، حتى يصل إلى الأبعاد المحددة عند تبريده.
- ظهور التجاعيد على القمصان القطنية في فصل الشتاء بسبب عملية الانكماش.
تغيرات المادة (التغير الفيزيائي)
يحدث التغير الفيزيائي عندما تتحول المادة من حالة فيزيائية إلى حالة فيزيائية أخرى دون التغيير في تركيب المادة، ومن أشهر أمثلة التغير الفيزيائي عمليتي التمدد والانكماش الحراري، بالإضافة إلى بعض العمليات الأخرى مثل ما يلي.
- الانصهار: هو تحول المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، وتسمى النقطة التي يتم عندها التحول نقطة الانصهار.
- التجمد: فقدان الجسم لجزء من حرارته، الأمر الذي يؤدي إلى الانخفاض في معدل الطاقة الحركية الموجودة بين الجزيئات، الأمر الذي يؤدي إلى التقارب بين الجزيئات، وانخفاض معدل المرونة بين الجزيئات، وباختصار يمكن تعريف التجمد على أنه تحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة عند نقطة معينة.
- الغليان: هو تحول للمادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية نتيجة تعرضه لدرجة حرارة عالية، ويحدث ذلك غالباً عند تعرض كمية من المياه إلى درجات حرارة عالية ما يؤدي إلى تبخرها.
- التكاثف: هو تحول المادة من الحالة الغازية لها إلى الحالة السائلة، والتي تحدث غالباً مع بخار الماء، عند تعرضه لأسطح باردة.
- التسامي: هو تحول فيزيائي تنتقل فيه دقائق المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية دون المرور بالحالة السائلة.
لكن بشكل عام فتبقى المواد على حالتها الطبيعية ما لم يحدث لها أي تغير في البيئة المحيطة بها، يؤدي إلى فقدها أو إكسابها طاقة.
