اي من الخصائص التالية لمادة ما تتم المحافظة عليها خلال التمدد الحراري
تعد الكتلة هي الخاصية التي تمتلكها المادة، والتي تتم المحافظة عليها خلال عملية التمدد الحراري، وتحدث عملية التمدد الحراري عندما يتم تسخين المواد، فيبدأ حجمها المادة في الازدياد، وذلك نتيجة زيادة المسافات البينية الموجودة بين جزئيات المادة وبعضها البعض، ولكن على هذا تظل الكتلة الخاصة بالمادة محافظة على معدلها الثابت، فكتلة الحديد- على سبيل المثال- لن تتغير في حالة إذا ما كانت قطعة الحديد تلك صلبة، أم قد تعرضت للانصهار بفعل الحرارة أو حتى وصلت لغاز، ستظل كتلة الحديد كما هي في الحالات الثلاثة للمادة المعروفة، ولكن مع وجود اختلاف في الحجم الخاص بالحديد في كل حالة من تلك الحالات.
تعريف التمدد الحراري
يعتبر التمدد الحراري خاصية من خصائص المواد، والتي تميل فيه المواد إلى إحداث زيادة في الحجم، ويحدث ذلك نتيجة لازدياد درجة الحرارة التي تكتسبها المادة، فعندما يتم تسخين مادة معينة، فإن الطاقة الحركية المختزنة لدى الجزيئات المكونة لتلك المادة، تبدأ في الزيادة، الأمر الذي يتسبب في إحداث تزايد في معدل حركة تلك الجسيمات، ويعمل ذلك في زيادة المسافات البينية الفاصلة بين الجزيئات وبعضها البعض، الأمر الذي يزيد من حجم المادة بشكل عام.
- لذلك فتجد أن الغالبية العظمى من المواد يزداد حجمها آخذة في التمدد، عندما يتم تعريضها لمصدر حرارة، كما أن المواد التي تقوم بعملية تقلص عند تعريضها للحرارة هي مواد محدودة ونادرة بشكل عام، ولكن من أشهرها الماء، وحتى تلك الخصائص لها مجال حراري قليل ومحدد.
- ويعد معامل التمدد الحراري من الصفات المميزة لكل مادة، بل وكل عنصر كيميائي عن العنصر الآخر، ويمكن قياسه عن طريق قياس ناتج قسمة درجة التمدد الحراري على معدل التغير في درجة الحرارة.
ما هي العوامل التي تؤثر على التمدد الحراري
تميل المواد الصلبة للمحافظة على شكلها عند تعريضها لعملية تمدد حراري، وذلك على عكس الغازات والسوائل، بحيث ينخفض التمدد الحراري بشكل عام عندما تزداد الطاقة الرابطة الجزيئية، وهي الطاقة التي تجذب الجزيئات ببعضها البعض داخل المادة، الأمر الذي يؤثر بالسلب على درجة انصهار المواد الصلبة، فتكون العلاقة بين الطاقة الرابطة الجزيئية ودرجة انصهار المواد الصلبة هي علاقة عكسية.
- الأمر الذي يجعل من المواد الصلبة مرتفعة درجة الانصهار، أن يكون معدل التمدد الحراري الخاص بها أقل بشكل عام.
- لكن على مستوى السوائل فهي تتمدد بشكل أكبر نسبياً من المواد الصلبة، فالتمدد الحراري للزجاجيات يكون أعلى عند مقارنة نسبته من التمدد الحراري للمواد البلورية أو الكريستالية.
- كما قد يغير امتصاص الماء أو امتصاص أي من المذيبات الأخرى، في التغيير على المادة وإحداث نوع من التمدد، وذلك يكون تأثيره أكبر من التمدد الحراري.
وبذلك نجد أن العوامل المؤثرة على عملية التمدد الخاصة بالمادة هي تلك كما يلي.
- معدل التمدد الحراري الخاص بها.
- درجة الحرارة التي تتعرض لها المادة.
- الطبيعة الفيزيائية للمادة، سواء كانت صلبة أم كريستالية أم سائلة.
- قدرة المادة على امتصاص المذيبات المختلفة مثل الماء.
من تطبيقات التمدد الحراري
يتم الاعتماد على مفهوم التمدد الحراري الكثير من الأجهزة والقواعد المعمارية المختلفة، ولعل من أشهر تلك التطبيقات أجهزة الثيرموستات أو منظم الحرارة، بالإضافة إلى ميزان الحرارة، كما يتم احتساب مقدار التمدد الحراري في عملية تصميم المنشآت المعمارية التي تتعرض لحرارة الشمس بشكل مباشر، وبشكل أكبر من المعتاد، فهناك بعض القواعد عند عملية صب الأعمدة الخاصة بالمباني، فيتم خلالها حساب مدى التمدد الذي سيتعرض له الحديد الصلب الموجود داخل الأعمدة بفعل الحرارة التي يتعرض لها من الشمس في النهار، ويتم عليها اتخاذ بعض الإجراءات المعمارية الخاصة.
الفواصل الموجودة على الجسور
- يظهر ذلك التأثير المعماري بشكل كبير على الكباري، فتجد أن تصميم الكباري يتواجد به بين كل مسافة معينة فاصل أو حفرة صغيرة، أو مسافة بين الأجزاء الكبري، هي ليست مسافة كبيرة أو خطرة على المركبات التي تتحرك فوقه، وإنما هي المسافة المناسبة التي تسمح للمعادن والمواد الموجودة داخل تلك المنشآت من التمدد دون أن تؤثر على حركة سير المركبات فوقها.
الثرموستات
أما فيما يخص فالثرموستات تلك هي الأجهزة الخاصة بتنظيم الحرارة، والتي تتمثل وظيفته الرئيسية في التحكم في تشغيل أنظمة التدفئة والتبريد والتهوية حسب حاجة المستخدم، وتعمل تلك الأجهزة رفقاً لعملية التمدد الحراري، وذلك باحتواء الحساسات التي تعمل على قياس درجة الحرارة المحيطة على مواد ذات قيمة تمدد عالية، بحيث تتأثر بأقل التغيرات في درجات الحرارة،
- وبهذا عندما تتمدد المعادن الموجودة داخل الثرموستات- فعل الحرارة- لدرجة أعلى من المحددة، يبدأ الجهاز بالعمل على تشغيل المكيفات وأجهزة التبريد، وفي حالة إذا تقلص حجم المعدن داخلها عن الدرجة المحددة يبدأ الجهاز بتشغيل أجهزة التدفئة المختلفة.
ميزان الحرارة
تعتمد فكرة عمل ميزان الحرارة على نفس فكرة الثرموستات تقريباً، فحتى يتمكن ذلك الجهاز من قياس درجة الحرارة، فهو يحتوي على نوع من المعادن شديد التأثر بدرجة الحرارة، ومقياس محدد يقيس خلالها مدى شدة درجة الحرارة، مقارنة بمعدل التمدد الذي وصل إليه المعدن داخله، ومن أشهر المعادن التي تستخدم في مثل تلك الأجهزة هو الزئبق، ولكن اليوم بدأ يظهر أنواع أخرى من موازين الحرارة الأكثر أمناً، والتي لا تستخدم الزئبق، وإنما مجموعة من الدوائر الكهربية والرقمية.
