ΘΕΡΜΙΚΗ ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΚΑΙ ΣΥΣΤΟΛΗ

ΘΕΡΜΙΚΗ ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΚΑΙ ΣΥΣΤΟΛΗ

ΘΕΡΜΙΚΗ ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΚΑΙ ΣΥΣΤΟΛΗ  

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Μπορούμε με πολύ μικρή δύναμη να ξεβιδώσουμε εύκολα το μεταλλικό καπάκι ενός γυάλινου βάζου όταν αυτό βρίσκεται στο ράφι της κουζίνας.Αν όμως το μετακινήσουμε  στο ψυγείο διαπιστώνουμε ότι το καπάκι σφηνώνει στο στόμιο του βάζου και δυσκολευόμαστε να το ξεβιδώσουμε.Μέσα στο ψυγείο η θερμοκρασία του γυάλινου βάζου μειώνεται.Για να το ανοίξουμε,ένας τρόπος είναι να ρίξουμε ζεστό νερό στο καπάκι και να περιμένουμε λίγη ώρα ώστε να αυξηθεί η θερμοκρασία του βάζου.

Πειραματική συσκευή για την μελέτη της θερμικής διαστολής και συστολής  

 Ο δακτύλιος του παραπάνω σχήματος έχει διάμετρο λίγο μεγαλύτερη από την διάμετρο της σφαίρας,έτσι ώστε στη θερμοκρασία περιβάλλοντος η σφαίρα να περνά εύκολα από το δακτύλιο.

Ο δακτύλιος έχει διάμετρο λίγο μεγαλύτερη από την διάμετρο της σφαίρας,έτσι ώστε στη θερμοκρασία περιβάλλοντος η σφαίρα να περνά εύκολα από το δακτύλιο

 Θερμαίνουμε τη σφαίρα και παρατηρούμε ότι δεν μπορεί να περάσει από το δακτύλιο.Αφήνουμε ύστερα τη σφαίρα να ψυχθεί και παρατηρούμε ότι περνά πάλι από το δακτύλιο.Από το πείραμα αυτό συμπεραίνουμε ότι οι διαστάσεις των σωμάτων αυξάνονται,όταν τα σώματα θερμαίνονται,και ελαττώνονται,όταν αυτά ψύχονται.Με λίγα λόγια παρατηρούμε  ότι η αύξηση της θερμοκρασίας της σφαίρας είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση του όγκου της και άρα της διαμέτρου της.

Όταν θερμαίνουμε τη σφαίρα  παρατηρούμε ότι δεν μπορεί να περάσει από το δακτύλιο

 Όλα σχεδόν τα σώματα στερεά,υγρά και αέρια,όταν αυξάνεται η θερμοκρασία τους,διαστέλλονται,αυξάνεται δηλαδή ο όγκος τους,ενώ όταν μειώνεται η θερμοκρασία τους,συστέλλονται,μειώνεται δηλαδή ο όγκος τους.Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται θερμική διαστολή και το αντίθετο της φαινόμενο,θερμική συστολή.

ΟΡΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΔΙΑΣΤΟΛΗΣ

 Θερμική διαστολή ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο αυξάνονται οι διαστάσεις ενός σώματος,δηλαδή αυξάνεται ο όγκος του σώματος,καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του σώματος.

ΟΡΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΣΥΣΤΟΛΗΣ

 Θερμική συστολή ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο μειώνονται οι διαστάσεις ενός σώματος,δηλαδή μειώνεται ο όγκος του σώματος,καθώς η μειώνεται η θερμοκρασία του σώματος

ΕΙΔΗ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΔΙΑΣΤΟΛΗΣ

 Γενικά η διαστολή αφορά όλες τις διαστάσεις του σώματος,αλλά μπορεί η αύξηση μιας ή δύο διαστάσεων να είναι αμελητέες.Έτσι,υπάρχουν τρία είδη θερμικών διαστολών.Η διαστολή λέγεται κυβική,όταν αναφέρεται στην αύξηση και των τριών διαστάσεων,δηλαδή στην αύξηση του όγκου του σώματος.Ειδικά για τα στερεά,μας ενδιαφέρει πολλές φορές η αύξηση μιας μόνο διάστασης ή η αύξηση των δύο μόνο διαστάσεων.Στην πρώτη περίπτωση η διαστολή λέγεται γραμμική και στη δεύτερη επιφανειακή. 

Κυβική διαστολή παθαίνουν όλα τα σώματα στερεά,υγρά και αέρια 

 Κυβική διαστολή ονομάζεται η διαστολή στην οποία έχουμε αύξηση και των τριών διαστάσεων,δηλαδή έχουμε αύξηση του όγκου του σώματος.
 Τέτοια είναι η διαστολή που παθαίνουν όλα τα σώματα στερεά,υγρά και αέρια.

 Επιφανειακή διαστολή ονομάζεται η διαστολή στην οποία έχουμε αύξηση των δύο μόνο διαστάσεων,δηλαδή έχουμε αύξηση  του εμβαδού του σώματος.

Παράδειγμα επιφανειακής διαστολής είναι η διαστολή του εμβαδού μιας μεταλλικής πλάκας

 Αφορά μόνο στερεά σώματα.Παράδειγμα επιφανειακής διαστολής είναι η διαστολή του εμβαδού μιας μεταλλικής πλάκας.

 Γραμμική διαστολή ονομάζεται η διαστολή στη οποία έχουμε αύξηση μιας μόνο διάστασης,δηλαδή έχουμε αύξηση του μήκος του σώματος.
 Η γραμμική διαστολή αφορά μόνο στερεά σώματα και παρατηρείται σε μακρόστενα αντικείμενα.Παράδειγμα γραμμικής διαστολής είναι η διαστολή του μήκους μιας ράβδου.Βρίσκει εφαρμογή σε διμεταλλικά ελάσματα,θερμόμετρα και γενικά συσκευές που σχετίζονται με τη μηχανική και τη θερμοκρασία.

Γραμμική διαστολή  παρατηρείται σε μακρόστενα αντικείμενα,για παράδειγμα σε μία μεταλλική ράβδο 

 Από την εμπειρία μας γνωρίζουμε ότι όλα τα σώματα δε διαστέλλονται ή συστέλλονται με τον ίδιο τρόπο.Το καπάκι,που είναι συνήθως φτιαγμένο από σίδηρο ή αλουμίνιο, συστέλλεται περισσότερο από το γυάλινο βάζο γι' αυτό και σφηνώνεται στο στόμιο του βάζου,όταν μπει στο ψυγείο όπου και ψύχεται.

 Κατά τη διάρκεια της διαστολής η πυκνότητα του αντικειμένου μειώνεται,ώστε να αυξάνονται και οι δυνάμεις της άνωσης.Αυτό βρίσκει εφαρμογή στο αερόστατο,όπου ο αέρας λόγω θέρμανσης μειώνει την πυκνότητά του,αλλά εγκλωβίζεται στο αερόστατο και το παρασύρει στην ανοδική κίνηση.

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΣΤΕΡΕΩΝ

 Στην περίπτωση της διαστολής  μεταβάλλεται ο όγκος της σφαίρας.Υπάρχουν όμως σώματα,όπως οι ράβδοι ή τα σύρματα,που η μια τους διάσταση είναι πολύ μεγαλύτερη από τις άλλες.Όταν θερμάνουμε μια μεταλλική ράβδο ή ένα σύρμα,το μήκος τους αυξάνεται πολύ περισσότερο συγκριτικά με τις άλλες διαστάσεις τους.Όπως είπαμε και πιο πάνω η διαστολή αυτή ονομάζεται γραμμική διαστολή ή διαστολή κατά μήκος. 

 Τη γραμμική διαστολή μπορούμε να τη μελετήσουμε με τη συσκευή του παρακάτω σχήματος.Το άκρο της μεταλλικής ράβδου είναι καλά στερεωμένο στη βάση της συσκευής,ενώ το άλλο άκρο της είναι ελεύθερο να κινείται,παρασύροντας στην κίνησή του το δείκτη.

Συσκευή για τη μελέτη της γραμμικής διαστολής στερεών σωμάτων

 Θερμαίνουμε τη ράβδο και παρατηρούμε ότι ο δείκτης εκτρέπεται από την αρχική του θέση και επανέρχεται σ' αυτήν,όταν αφήσουμε τη ράβδο να ψυχθεί.Από την εκτροπή του δείκτη αντιλαμβανόμαστε ότι το μήκος της ράβδου αυξάνεται,όταν αυτή ψύχεται.Αν συνεχίσουμε τη θέρμανση της ράβδου,δηλαδή αυξήσουμε και άλλο τη θερμοκρασία της,διαπιστώνουμε ότι η ράβδος επιμηκύνεται περισσότερο.Άρα η επιμήκυνση(μεταβολή του μήκους) της ράβδου εξαρτάται από τη μεταβολή της θερμοκρασίας της (Δθ).

 Χρησιμοποιώντας ράβδους από διαφορετικό υλικό βρίσκουμε ότι η επιμήκυνση της ράβδου εξαρτάται από το υλικό της.Έτσι μία ράβδος αλουμινίου επιμηκύνεται περισσότερο (ο δείκτης εκτρέπεται περισσότερο) από μία ράβδο σιδήρου που έχει το ίδιο μήκος και παθαίνει την ίδια μεταβολή θερμοκρασίας με τη ράβδο αλουμινίου.

 Τέλος η επιμήκυνση μιας ράβδου εξαρτάται από το  αρχικό μήκος της(Ι0).Όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος της ράβδου τόσο περισσότερο επιμηκύνεται αυτή,για την ίδια μεταβολή της θερμοκρασίας της.

 Άρα η μεταβολή του μήκους (ΔΙ) είναι ανάλογη:

α) Με τη μεταβολή της θερμοκρασίας (Δθ).

Η αύξηση του μήκους είναι ανάλογη της μεταβολής της θερμοκρασίας 

 Για παράδειγμα σε διπλάσια μεταβολή θερμοκρασίας αντιστοιχεί διπλάσια μεταβολή μήκους 

β) Με το αρχικό μήκος του σώματος (Ι0). 

Η αύξηση του μήκους είναι ανάλογη του αρχικού μήκους του σώματος

 Σε δύο ράβδους από το ίδιο υλικό, που η μία έχει διπλάσιο μήκος από την άλλη,όταν η θερμοκρασία μεταβάλλεται εξίσου,η μεταβολή του μήκους της πρώτης είναι διπλάσια από τη μεταβολή του μήκους της δεύτερης.

γ) Με το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένη η ράβδος.
 Όταν η θερμοκρασία μεταβληθεί εξίσου σε μια σιδερένια ράβδο και σε μια ράβδο αλουμινίου ίδιου αρχικού μήκους,η μεταβολή του μήκους της ράβδου αλουμινίου είναι μεγαλύτερη από τη μεταβολή του μήκους της σιδερένιας ράβδου.

Η αύξηση του μήκους είναι ανάλογη  του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένη η ράβδος.Το αλουμίνιο διαστέλλεται περισσότερο από το σίδερο

 Από τις παραπάνω πειραματικές παρατηρήσεις ισχύει:

                                                                                   ΔΙ=Ι0•αι•Δθ 

όπου:

ΔΙ η μεταβολή του μήκους, 

Δθ η μεταβολή της θερμοκρασίας, 

Ι0 το αρχικό μήκος της ράβδου και 

Ι0•αι ο συντελεστής της γραμμικής διαστολής του υλικού της ράβδου.

 Το αι δείχνει πόσο μεταβάλλεται το μήκος μιας ράβδου 1 m,όταν η θερμοκρασία της μεταβληθεί κατά 1 °C.

 Ο συντελεστής της γραμμικής διαστολής είναι γενικά θετικός αριθμός που σημαίνει ότι τα σώματα διαστέλλονται όσο αυξάνεται η θερμοκρασία τους.Η τιμή του συντελεστή της γραμμικής διαστολής,μεταβάλλεται με τη μεταβολή της θερμοκρασίας και γι' αυτό οι τύποι της θερμικής διαστολής ισχύουν με αρκετά καλή προσέγγιση,μόνο για μικρές περιοχές της θερμοκρασίας,όπου λαμβάνεται μια μέση τιμή του.

ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΔΙΑΣΤΟΛΗΣ

 Η γραμμική διαστολή έχει πολλές εφαρμογές στην καθημερινή ζωή και στην τεχνική.

Το διμεταλλικό έλασμα

 Μία από τις εφαρμογές αυτές βρίσκουμε στο διμεταλλικό έλασμα,που αποτελείται από δύο μεταλλικά ελάσματα του ίδιου μήκους,τα οποία είναι καλά συγκολλημένα μεταξύ τους και κατασκευασμένα από διαφορετικό υλικό.

Το διμεταλικό έλασμα σε μία ορισμένη θερμοκρασία είναι ευθύγραμμο,ενώ όταν θερμανθεί ή ψυχθεί καμπυλώνεται.Όταν θερμανθεί καμπυλώνεται προς τα πάνω,ενώ όταν ψυχθεί καμπυλώνεται προς τα κάτω 

 Το διμεταλλικό έλασμα σε μία ορισμένη θερμοκρασία,π.χ. 18 °C,είναι ευθύγραμμο,ενώ όταν θερμανθεί ή ψυχθεί καμπυλώνεται.

Διμεταλλικό σπειροειδές έλασμα από θερμόμετρο αντιδρά στη θερμότητα από τη φλόγα αναπτήρα.Όταν η φλόγα απομακρυνθεί το έλασμα επανέρχεται σταδιακά στην αρχική του κατάσταση

 Από διμεταλλικά ελάσματα κατασκευάζονται οι αυτόματοι ηλεκτρικοί διακόπτες,που χρησιμοποιούνται ως θερμοστάτες σε ηλεκτρικές συσκευές (θερμοσίφωνας,κουζίνα,ψυγείο,ηλεκτρικό σίδερο κλπ.),τα διμεταλλικά θερμόμετρα κλπ.

Θερμόμετρο από διμεταλλικό έλασμα

 Όταν,κατά τη θέρμανση των στερεών,εμποδίζεται η ελεύθερη διαστολή τους,αναπτύσσονται μεγάλες δυνάμεις ικανές να τα παραμορφώσουν.Για να αποφύγουμε αυτές τις ανεπιθύμητες παραμορφώσεις στις σιδηροτροχιές των τραίνων,αφήνουμε κατά διαστήματα μικρά κενά μεταξύ τους.

Στις μεταλλικές γέφυρες υπάρχουν οι οδοντωτοί σύνδεσμοι διαστολής,για να αποφύγει  η γέφυρα τη ζημιά από τις δυνάμεις διαστολής

 Για τον ίδιο λόγο δε στερεώνουμε και τα δύο άκρα μιας μεταλλικής γέφυρας,αλλά τοποθετούμε το ένα άκρο της σε κυλιόμενους κυλίνδρους ώστε να μετατοπίζεται ελεύθερα.

Τοποθετούμε το ένα άκρο της  μεταλλικής γέφυρας  σε κυλιόμενους κυλίνδρους ώστε να μετατοπίζεται ελεύθερα

 Τα αντικείμενα που αποτελούνται από κοινό γυαλί δεν πρέπει να θερμαίνονται απότομα και σε ένα μόνο μέρος τους,γιατί διαστέλλονται ανομοιόμορφα και σπάζουν.Αυτό δε συμβαίνει στα αντικείμενα που αποτελούνται από γυαλί pyrex,γιατί το γυαλί αυτό ελάχιστα διαστέλλεται.Από κατασκευάζονται χημικά όργανα και γυάλινα σκεύη μαγειρικής.

ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΔΙΑΣΤΟΛΗ

  Γνωρίζουμε ότι σε ορισμένα σώματα  οι δυο διαστάσεις τους,το μήκος και το πλάτος είναι πολύ μεγαλύτερες από την τρίτη,το πάχος.Τέτοια σώματα είναι μία μεταλλική πλάκα,ένας μεταλλικός δίσκος κ.α.Έτσι λοιπόν όταν θερμαίνουμε αυτά τα σώματα,αυξάνεται η θερμοκρασία τους και παρατηρούμε ότι τότε αυξάνονται οι διαστάσεις τους, δηλαδή διαστέλλονται.Όμως η θερμική διαστολή του πάχους είναι πολύ μικρότερη από τη θερμική διαστολή του πλάτους και του μήκους. 

Το πάχος ενός μεταλλικού δίσκου είναι πάρα πολύ μικρό.Έτσι λοιπόν όταν  θερμαίνουμε το μεταλλικό δίσκο η θερμική διαστολή του πάχους είναι πολύ μικρότερη από τη θερμική διαστολή του πλάτους και του μήκους

 Παρατηρούμε δηλαδή ότι η θερμική διαστολή του πάχους είναι σχεδόν αμελητέα.Οι δυο διαστάσεις αυξάνονται πολύ περισσότερο από την τρίτη.Η διαστολή αυτή ονομάζεται επιφανειακή διαστολή.
 Στην επιφανειακή διαστολή έχουμε δηλαδή αύξηση  του εμβαδού του σώματος και αφορά μόνο στερεά σώματα.

ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΟΓΚΟΥ ΣΕ ΣΤΕΡΕΑ ΚΑΙ ΥΓΡΑ

 Γεμίσουμε ένα γυάλινο βάζο με λάδι και ύστερα το θερμάνουμε.Παρατηρούμε ότι το λάδι ξεχειλίζει.Άρα συμπεραίνουμε ότι ο όγκος του λαδιού αυξήθηκε περισσότερο από τον όγκο του γυάλινου βάζου.Το λάδι λοιπόν διαστέλλεται περισσότερο από το γυάλινο βάζο.Από αυτό το μικρό πείραμα καταλαβαίνουμε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί αύξηση,διαστολή όγκου,τόσο των στερεών όσο και των υγρών.Όμως τα υγρά διαστέλλονται περισσότερο από τα στερεά.

Γυάλινο βάζο με λάδι

 Για να κατανοήσουμε καλύτερα την διαστολή του όγκου στα στερεά και στα υγρά θα κάνουμε ένα ακόμα πείραμα.Γεμίζουμε μία φιάλη με χρωματισμένο νερό και την κλείνουμε με πώμα που φέρει γυάλινο σωλήνα με μικρή διάμετρο.Θερμαίνουμε τη φιάλη και παρατηρούμε ότι η στάθμη του νερού ανεβαίνει και επανέρχεται στην αρχική θέση όταν η φιάλη ψυχθεί.
 Από το πείραμα αυτό συμπεραίνουμε ότι ο όγκος των υγρών αυξάνεται όταν θερμαίνονται και ελαττώνονται όταν ψύχονται.

Γεμίζουμε μία φιάλη με χρωματισμένο νερό και την κλείνουμε με πώμα που φέρει γυάλινο σωλήνα με μικρή διάμετρο

 Σε αυτό το σημείο πρέπει να κάνουμε μία σημαντική παρατήρηση.Αν προσέξουμε καλά κατά την εκτέλεση του πειράματος αυτού,θα παρατηρήσουμε ότι στην αρχή της θερμάνσεως η στάθμη του νερού κατεβαίνει για λίγο χρόνο και ύστερα ανεβαίνει.Αυτό συμβαίνει γιατί το γυαλί αρχίζει να διαστέλλεται πριν από το νερό.Έτσι η στάθμη του νερού αρχικά κατεβαίνει.Επειδή όμως το νερό διαστέλλεται,περισσότερο από το γυαλί,η στάθμη του νερού ανεβαίνει πιο πάνω από την αρχική θέση.

Ο όγκος των υγρών αυξάνεται όταν θερμαίνονται και ελαττώνονται όταν ψύχονται

 Από τα πειράματα αυτά και τις μετρήσεις της μεταβολής του όγκου που προκαλείται από την αντίστοιχη μεταβολή της θερμοκρασίας τους,μπορούμε να καταλάβουμε ότι η θερμική διαστολή του όγκου ενός στερεού ή υγρού:

α) είναι ανάλογη με τη μεταβολή της θερμοκρασίας του,

β) είναι ανάλογη με τον αρχικό όγκο του, 

γ) εξαρτάται από είδος του υλικού του σώματος.

 Βέβαια,κατά τη μελέτη της διαστολής ενός υγρού,διαστέλλονται και τα τοιχώματα του δοχείου που το περιέχει.Η διαστολή όμως του δοχείου είναι πολύ μικρότερη από τη διαστολή του υγρού και τη θεωρούμε ασήμαντη.

 Από τις πειραματικές μετρήσεις,για τα υγρά όσο και για τα στερεά σώματα,μπορούμε να διατυπώσουμε την σχέση  και μπορούν να διατυπωθούν με μαθηματικά σύμβολα:

                                                                                   ΔV=V0•αν•Δθ

όπου: 

ΔV η μεταβολή του όγκου, 

V0 ο αρχικός όγκος,

Δθ η μεταβολή της θερμοκρασίας του σώματος,

αν είναι ο συντελεστής διαστολής όγκου του υλικού.

 Ο συντελεστής αν εξαρτάται από το υλικό και εκφράζει τη μεταβολή του όγκου ενός σώματος με αρχικό όγκο 1 m³ όταν η θερμοκρασία του μεταβληθεί κατά 1 °C.

 Το υδραργυρικό θερμόμετρο αποτελείται από ένα μακρύ και λεπτό τελείως κλειστό υάλινο σωλήνα,στο ένα άκρο του οποίου υπάρχει ένα μικρό δοχείο,στην οποία περιέχεται ο υδράργυρος.Η διαστολή του όγκου του υγρού υδραργύρου είναι σχεδόν 8 φορές μεγαλύτερη από αυτή του γυαλιού.

Ο υδράργυρος διαστέλλεται όταν θερμανθεί, με αποτέλεσμα η άνοδος της θερμοκρασίας να προκαλεί την άνοδό του στο σωλήνα

 Ο υδράργυρος διαστέλλεται όταν θερμανθεί,με αποτέλεσμα η άνοδος της θερμοκρασίας να προκαλεί την άνοδό του στο σωλήνα.Ο σωλήνας προσαρτάται επάνω σε κατάλληλα βαθμολογημένη κλίμακα και από εκεί διαβάζονται οι ενδείξεις της θερμοκρασίας.Στο θερμόμετρο υδραργύρου όταν αυξάνεται η θερμοκρασία,αυξάνεται τόσο ο όγκος του γυάλινου δοχείου, όπου βρίσκεται ο υδράργυρος,όσο και ο όγκος του υδραργύρου.Όμως καθώς ο υδράργυρος διαστέλλεται πολύ περισσότερο,«ξεχειλίζει» από το γυάλινο δοχείο και ανεβαίνει στο λεπτό σωλήνα.

ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ

 Τα αέρια διαστέλλονται και συστέλλονται περίπου όπως τα στερεά και υγρά.Η διαφορά είναι ότι τα αέρια διαστέλλονται και συστέλλονται πολύ περισσότερο από τα υγρά και τα στερεά όταν απορροφούν θερμότητα.

Όταν θερμαίνουμε ένα αέριο τα μόρια του κινούνται πολύ πιο γρήγορα που έχει σαν αποτέλεσμα τα μόρια του αερίου προσπαθούν να αποκτήσουν περισσότερο χώρο για να κινηθούν πιο εύκολα

 Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα μόρια ενός αερίου κινούνται πολύ πιο γρήγορα και άτακτα όταν η θερμοκρασία του αερίου αυξάνεται.Έτσι λοιπόν τα μόρια ενός αερίου προσπαθούν να αποκτήσουν περισσότερο χώρο για να κινηθούν πιο εύκολα.

Φουσκώνουμε λίγο ένα μπαλόνι και ύστερα το τοποθετούμε πάνω από ένα σώμα θέρμανσης του σπιτιού μας.Παρατηρούμε ότι αυξάνεται ο όγκος του μπαλονιού  

 Για να μελετήσουμε την διαστολή των αερίων πραγματοποιούμε ένα απλό πείραμα.Φουσκώνουμε λίγο ένα μπαλόνι και ύστερα το τοποθετούμε πάνω από ένα σώμα θέρμανσης του σπιτιού μας.Παρατηρούμε ότι το μπαλόνι μεγαλώνει,δηλαδή αυξάνεται ο όγκος του μπαλονιού.Χρησιμοποιούμε την συσκευή του παρακάτω σχήματος.Όταν θερμάνουμε τον αέρα που περιέχεται στο κυλινδρικό δοχείο της βάσης,το έμβολο της σύριγγας ανυψώνεται.Η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί αύξηση του όγκου δηλαδή διαστολή των αερίων όταν περιέχονται σε δοχείο με κινητά τοιχώματα.

 Έτσι λοιπόν με το πείραμα αυτό καταλήγουμε στο παρακάτω συμπέρασμα.
 Όταν η θερμοκρασία ενός αερίου μεταβάλλεται ενώ η πίεση του διατηρείται σταθερή, η αύξηση ή ελάττωση του όγκου του είναι ανάλογη με τον όγκο που έχει το αέριο στους 0 °C και με τη μεταβολή της θερμοκρασίας του.

Συσκευή για τη μελέτη της διαστολής των αερίων

 Από τους 0° C μέχρι τους 273° C το αέριο μπορεί διπλασιάσει τον όγκο του.Γι' αυτό το λόγο πρέπει να ξεφουσκώνουμε λίγο τα λάστιχα των αυτοκινήτων το καλοκαίρι,για ν' αποφύγουμε την υπερβολική πίεση.Έχουμε αναφέρει ότι στα στερεά και στα υγρά,η μεταβολή του όγκου  εξαρτάται από το είδος του στερεού και υγρού αντίστοιχα.Αντίθετα στα αέρια η μεταβολή του όγκου δεν εξαρτάται από το είδος του αερίου.Σε όλα τα αέρια,όταν η θερμοκρασία μεταβληθεί κατά 1°C,χωρίς να αλλάξει η πίεσή τους,ο όγκος μεταβάλλεται κατά το 1/273 του όγκου που είχαν στους 0 °C.

 Σε αντίθεση με τα στερεά και τα υγρά όλα τα αέρια διαστέλλονται και συστέλλονται σχεδόν το ίδιο στην ίδια μεταβολή της θερμοκρασίας.Όταν ένα αέριο διαστέλλεται η πυκνότητά του ελαττώνεται γιατί η ίδια μάζα καταλαμβάνει περισσότερο χώρο.Η διαστολή των αερίων είναι πολύ σημαντική στη μετεωρολογία.Η διαστολή των αερίων προκαλεί τον άνεμο,δηλαδή τα ρεύματα που δημιουργούνται μέσα στην ατμόσφαιρα,ο οποίος επηρεάζει τον καιρό και το κλίμα μιας περιοχής

ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΤΗΣ ΔΙΑΣΤΟΛΗΣ

 Η θερμική διαστολή και συστολή ερμηνεύεται με τη βοήθεια της θερμικής κίνησης των δομικών λίθων.Για να ερμηνεύσουμε τη διαστολή των στερεών,θεωρούμε ότι οι δομικοί λίθοι από τους οποίους αποτελούνται αλληλεπιδρούν σαν να συνδέονται μεταξύ τους με μικροσκοπικά ελατήρια.Επίσης θα πρέπει να υποθέσουμε ότι αυτά τα ελατήρια ευκολότερα επιμηκύνονται παρά συμπιέζονται.

Για να ερμηνεύσουμε τη διαστολή των στερεών, θεωρούμε ότι οι δομικοί λίθοι από τους οποίους αποτελούνται αλληλεπιδρούν σαν να συνδέονται μεταξύ τους με μικροσκοπικά ελατήρια

 Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία,οι δομικοί λίθοι ταλαντώνονται εντονότερα και τα ελατήρια συμπιέζονται και επιμηκύνονται περισσότερο από προηγουμένως.Όμως η επιμήκυνση τους είναι μεγαλύτερη από τη συμπίεση.

Η αύξηση του μήκους εξαρτάται από τις δυνάμεις μεταξύ των δομικών λίθων

 Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι δομικοί λίθοι τελικά να απομακρύνονται μεταξύ τους,δηλαδή το σώμα να διαστέλλεται.Άρα,κατά τη διαστολή δεν αυξάνονται οι διαστάσεις των δομικών λίθων,αλλά οι μεταξύ τους αποστάσεις.Δε διαστέλλονται οι δομικοί λίθοι,αλλά τα σώματα.
 Συνεπώς:
 Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία ενός σώματος,η θερμική κίνηση των μορίων του γίνεται πιο έντονη.Έτσι αυξάνεται η μέση απόσταση μεταξύ των μορίων και το σώμα διαστέλλεται.

 Στο σίδηρο κάθε δομικός λίθος αλληλεπιδρά ισχυρότερα με τους γειτονικούς του από όσο οι δομικοί λίθοι του αλουμινίου.Επομένως,οι δομικοί λίθοι του σιδήρου απομακρύνονται δυσκολότερα μεταξύ τους απ' ότι εκείνοι του αλουμινίου.Συνεπώς,η μεταβολή των διαστάσεων κατά τη διαστολή και τη συστολή εξαρτάται από το πόσο ισχυρά αλληλεπιδρούν μεταξύ τους οι δομικοί λίθοι του σώματος.Δηλαδή,από το είδος του υλικού.

Η αύξηση του μήκους  είναι ανάλογη με τον αριθμό των δομικών λίθων που παρεμβάλλονται μεταξύ των μορίων

 Στα αέρια,επειδή οι δομικοί λίθοι δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους,η μεταβολή του όγκου δεν εξαρτάται από το είδος του αερίου.Όσο το μήκος μιας ράβδου είναι μεγαλύτερο,τόσο περισσότεροι δομικοί λίθοι παρεμβάλλονται μεταξύ των άκρων της.Επομένως, κατά τη διαστολή η συνολική απομάκρυνση των δομικών λίθων είναι μεγαλύτερη.Άρα και η αύξηση του μήκους της ράβδου είναι,επίσης,μεγαλύτερη 

ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΚΑΙ ΣΥΣΤΟΛΗ

 Έχουμε παρατηρήσει ότι ένα γυάλινο ποτήρι σπάει όταν χύσουμε σε αυτό καυτό νερό.Γενικά γυάλινα ή κεραμικά σκεύη όπως κρυστάλλινα ποτήρια ή φλιτζάνια κινδυνεύουν να σπάσουν,αν μεταβληθεί απότομα η θερμοκρασία τους,για παράδειγμα όταν πλυθούν με καυτό νερό.Για να αποφύγουμε αυτές τις ζημιές τα γυάλινα σκεύη που χρησιμοποιούμε για να ψήσουμε το φαγητά στο φούρνο της ηλεκτρικής κουζίνας είναι από πυρίμαχο γυαλί.

Ένα γυάλινο ποτήρι σπάει όταν χύσουμε σε αυτό καυτό νερό

 Κατά τη διαστολή η μεταβολή του μήκους ή του όγκου των σωμάτων είναι σχετικά μικρή,όταν όμως αυτή εμποδίζεται, εμφανίζονται έντονα μηχανικά φαινόμενα όπως το λύγισμα, το σπάσιμο κ.ά.Κατά τη διαστολή οι δομικοί λίθοι επεκτείνονται στο χώρο κι η επέκταση αυτή εκδηλώνεται ως τεράστια δύναμη διαστολής.Έτσι,όταν απότομα γεμίσουμε ένα ποτήρι με καυτό νερό,το εσωτερικό τοίχωμα του ποτηριού θερμαίνεται αμέσως και η θερμοκρασία του γίνεται πολύ μεγαλύτερη από εκείνη του εξωτερικού τοιχώματος.Το εσωτερικό τοίχωμα λοιπόν διαστέλλεται πιο έντονα από το εξωτερικό. Μία δύναμη από μέσα προς τα έξω προκαλεί ρωγμές στο ποτήρι.Αυτός είναι ο λόγος που τα γυάλινα σκεύη που χρησιμοποιούνται για το ψήσιμο των φαγητών κατασκευάζονται από ειδικό πυρίμαχο γυαλί (pyrex).Η διαστολή αυτού του είδους του γυαλιού είναι πολύ μικρότερη συγκριτικά με εκείνη του κοινού γυαλιού και έτσι το σκεύος δεν κινδυνεύει με θραύση.

Διάκενο ανάμεσα στις σιδηροτροχιές

 Οι δυνάμεις διαστολής μπορούν να προκαλέσουν παραμόρφωση στις σιδηροτροχιές κατά τους ζεστούς καλοκαιρινούς μήνες.Πριν πολλά χρόνια   αυτό αντιμετωπίστηκε με την ύπαρξη διάκενων μεταξύ των σιδηροτροχιών.Αυτά τα διάκενα προκαλούσαν ταλαντώσεις του τρένου που είχε σαν αποτέλεσμα οι επιβάτες να ζαλίζονται στο ταξίδι.Σήμερα στα διάκενα τοποθετούν κατάλληλο υλικό ώστε να διαστέλλεται ελάχιστα.Τέτοια διάκενα χρησιμοποιούνται και στις γέφυρες.

Όταν τα διάκενα ανάμεσα στις σιδηροτροχιές δεν είναι ορθά υπολογισμένα,οι γραμμές μπορεί να παραμορφωθούν σε μία ζεστή καλοκαιρινή μέρα,λόγω της θερμικής διαστολής

 Στο ηλεκτρικό ψυγείο η θερμοκρασία πρέπει να παρα­μένει σταθερή,όπως και στο φούρνο της ηλεκτρικής κουζίνας,στην πλάκα του ηλεκτρικού σίδερου σιδερώματος,στο ηλεκτρικό καλοριφέρ, στο νερό που ψύχει τον κινητή­ρα του αυτοκινήτου και σε πολλές ακόμα περιπτώσεις.Η ρύθμιση της θερμοκρασίας σε όλες αυτές τις συσκευές γίνεται με έναν κατάλληλο διακόπτη που ονομάζουμε θερ­μοστάτη.

Ο θερμοστάτης είναι μια συσκευή ελέγχου η οποία χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας είτε σε κάποια συσκευή είτε σε κάποιο χώρο

 Ο θερμοστάτης είναι μια συσκευή ελέγχου η οποία χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας είτε σε κάποια συσκευή είτε σε κάποιο χώρο.Αυτό επιτυγχάνεται όταν ο θερμοστάτης είναι συνδεδεμένος και ελέγχει ένα μηχανισμό θέρμανσης ή ψύξης.Αποτελείται από μια διάταξη ανίχνευσης της υπάρχουσας θερμοκρασίας,ένα είδος θερμομέτρου,ένα μηχανισμό ορισμού από το χρήστη της συσκευής της επιθυμητής θερμοκρασίας και τέλος ένα μηχανισμό ο οποίος ενεργοποιεί αυτόματα τον μηχανισμό ψύξης ή θέρμανσης τον οποίο ελέγχει.

ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ

ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Γνωρίζουμε ότι στα περισσότερα υγρά αύξηση της θερμοκρασίας τους έχει σαν αποτέλεσμα στη διαστολή τους,δηλαδή την αύξηση του όγκου τους.Το νερό όμως είναι ένα υγρό που διαφέρει από όλα τα άλλα υγρά.Όταν θερμαίνεται ορισμένη μάζα νερού από τους 0 °C έως 4 °C,ο όγκος του νερού ελαττώνεται αντί να αυξάνεται.Όταν συνεχιστεί η θέρμανση του νερού ώστε η θερμοκρασία του να παίρνει τιμές μεγαλύτερες από τους 4 °C,ο όγκος του συνεχώς αυξάνεται.

Οι μεταβολές του όγκου του νερού συναρτήσει με τη θερμοκρασία 

 Όταν ψύχεται ορισμένη μάζα νερού από τους 0 °C έως 4 °C,ο όγκος του νερού αυξάνεται αντί να μειώνεται.Στο παραπάνω σχήμα φαίνονται οι μεταβολές του όγκου του νερού συναρτήσει με τη θερμοκρασία.Παρατηρούμε λοιπόν ότι το νερό παρουσιάζει ανωμαλία στη διαστολή του με αποτέλεσμα ορισμένη μάζα του να έχει το μικρότερο όγκο στους 4 °C,όπως θα έπρεπε αν διαστελλόταν κανονικά.

Τα μόρια του νερού σε υγρή μορφή

 Παρατηρούμε επίσης ότι τα παγάκια επιπλέουν στο νερό.Ακόμα βλέπουμε ότι το παγόβουνο που επιπλέει στη θάλασσα.Πιο συγκεκριμένα το παγόβουνο επιπλέει,με περίπου τα 7/8 της μάζας του να βρίσκεται κάτω από την επιφάνεια του νερού.

ΕΞΗΓΗΣΗ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΤΗΣ ΔΙΑΣΤΟΛΗΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ

 Τα δύο αυτά φαινόμενα οφείλονται στη πυκνότητα του πάγου που είναι μικρότερη από την πυκνότητα του νερού.Από αυτό καταλαβαίνουμε ότι όταν παγώσει  µία ποσότητα νερού,καταλαµβάνει µεγαλύτερο όγκο.

 Όταν το νερό γίνει πάγος,τα µόριά του σχηµατίζουν εξαγωνικούς κρυστάλλους.Έτσι στο κρύσταλλο δημιουργούνται πολλά κενά.Για αυτό λοιπόν όταν παγώσει μία ποσότητα νερού,καταλαμβάνει μεγαλύτερο όγκο.Στο γεγονός αυτό οφείλεται η ιδιόµορφη συµπεριφορά του νερού.

Τα μόρια του Πάγου.

 Η πυκνότητα του νερού δίνεται από τον τύπο ρ=m/V.Επειδή ο όγκος του μεταβάλλεται συμπεραίνουμε ότι και η πυκνότητα του νερού θα μεταβάλλεται σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και θα έχει τη μεγαλύτερη τιμή στους 4 °C.

Όταν το νερό γίνει πάγος,τα  µόριά του σχηµατίζουν εξαγωνικούς κρυστάλλους. Έτσι στο κρύσταλλο δημιουργούνται πολλά κενά.Για αυτό λοιπόν όταν παγώσει μία ποσότητα νερού,καταλαμβάνει μεγαλύτερο όγκο

 Γνωρίζουμε ότι στη διάρκεια του χειμώνα τα επιφανειακά στρώματα του νερού των λιμνών και των ποταμών μετατρέπονται σε πάγο,ενώ τα βαθύτερα στρώματα εξακολουθούν να είναι υγρά και να βρίσκονται σε θερμοκρασία 4 °C περίπου.

Η κατανοµή της θερµοκρασίας του νερού µέσα σε µία λίµνη το καλοκαίρι και τον χειµώνα

 Πιο αναλυτικά εξηγείται ως εξής:

 Μεταξύ δυο στρωμάτων νερού αυτό που έχει τη μεγαλύτερη πυκνότητα βυθίζεται.Το χειμώνα το νερό,π.χ. μιας λίμνης,ψύχεται σιγά σιγά ώσπου να αποκτήσει όλο θερμοκρασία 4 °C.Όταν η ψύξη συνεχιστεί,τα επιφανειακά στρώματα αποκτούν θερμοκρασία π.χ. 3 °C,οπότε γίνονται ελαφρότερα από τα βαθύτερα στρώματα των 4 °C.Έτσι εξακολουθούν να παραμένουν στην επιφάνεια της λίμνης,όπου ψύχονται περισσότερο,και όταν φθάσουν στους 0 °C μετατρέπονται σε πάγο που επιπλέει στο νερό.

Γραφική παράσταση της πυκνότητας του νερού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.Παρατηρούμε ότι η πυκνότητα έχει τη μεγαλύτερη τιμή στους 4 °C.

 Τελικά μπορεί να σχηματισθεί πάγος στην επιφάνεια της λίμνης ή της θάλασσας,ενώ στο εσωτερικό η θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη και μάλιστα 4 °C στον πυθμένα και το νερό διατηρείται στην υγρή μορφή.

ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΗΣ ΔΙΑΣΤΟΛΗΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ

 Το φαινόμενο της ανώμαλης διαστολής του νερού έχει τεράστια οικολογική σημασία.

Το φαινόμενο της ανώμαλης διαστολής του νερού έχει τεράστια σημασία για την ζωή των υδροβίων φυτών και ζώων 

 Έχει μεγάλη σημασία για την ζωή των υδροβίων φυτών και ζώων στις λίμνες,στα ποτάμια και στις θάλασσες.

Έχει μεγάλη σημασία για την ζωή των υδροβίων φυτών και ζώων στις λίμνες, στα ποτάμια και στις θάλασσες, γιατί, αν το νερό συμπεριφερόταν όπως τα άλλα υγρά, θα πάγωνε όλη η λίμνη, το ποτάμι ή η θάλασσα και θα πέθαιναν τα φυτά και τα ζώα

 Αυτό γιατί,αν το νερό συμπεριφερόταν όπως τα άλλα υγρά,θα πάγωνε όλη η λίμνη,το ποτάμι ή η θάλασσα και θα πέθαιναν τα φυτά και τα ζώα.

 Σε μεγάλη παγωνιά στο εσωτερικό  μιας λίμνης ή μιας θάλασσας  η θερμοκρασία στον πυθμένα  είναι 4 °C

 Στο πολύ κρύο καταστρέφονται οι βλαστοί,τα κλαδιά και οι καρποί των δέντρων,γιατί το νερό που υπάρχει μέσα τους παγώνει και διαστέλλεται.

Σε μία λίμνη το χειμώνα μπορεί να σχηματισθεί πάγος στην επιφάνεια της ,ενώ στο εσωτερικό της διατηρείται στην υγρή μορφή

 Επίσης οι βράχοι θρυμματίζονται,όταν παγώνει το νερό που βρίσκεται στις κοιλότητες ή στις ρωγμές τους,γιατί το παγωμένο νερό διαστέλλεται και σπάει τους βράχους σε μικρά κομμάτια.