التمدد الحراري وتطبيقاته

اوووه! لينا! هل يمكنك مساعدتي في فتح الجرة؟ إنها عالقة! كيف نفتحها؟ جربوا هذه الحيلة! خذ وعاءً واسكب بعض الماء الساخن فيه. ضع الجرة المغلقة في الوعاء مقلوبة، بحيث يُغمر الغطاء. اتركها لبضع دقائق. أخرج الجرة، حاول فتحها الآن. أوه، واو، هذا سهل! كيف حدث هذا؟! الجرة والغطاء كجميع المواد، يتكونان من جزيئات تتحرك. تتأثر هذه الحركة بدرجة الحرارة. عندما تسخن مادة أو شيء ما، تبدأ جزيئاته بالتحرك أسرع والابتعاد عن بعضنا البعض. يؤدي هذا لتمدد المادة. ميل المواد للتمدد عند تسخينها يسمى بالتمدد الحراري. على الجانب الآخر، عندما تبرد مادة ما، يحدث العكس. تتباطأ الجزيئات المتحركة في المادة وتتقارب من بعضهما البعض. يتناقص حجم المادة. تنكمش المادة. هذا هو الانكماش الحراري. كم مدى تمدد المادة أو انكماش المادة، على تغير درجة الحرارة، وكمية المادة، وخصائصها. يختلف التمدد باختلاف المواد. في الجرة، عندما يسخّن الماء الغطاء المعدني، يتغير حجم الغطاء ويزداد قطره. لا تتمدد جرة الزجاج بنفس القدر، لذا يصبح فرق القطر كافيًا لفك الغطاء. المعدلات المختلفة لتمدد المواد، معاملات التمدد، مهمة جدا عند بناء المباني أو الجسور أو الهياكل الكبيرة الأخرى. غالبًا ما يتم بناؤها بالخرسانة المعززة بقضبان فولاذية. يجب أن يتساوى معدل تتمدد وانكماش القضبان مع الخرسانة تقريبًا، وإلا قد تتشقق الخرسانة وتنهار بمرور الوقت. غالبًا ما تتعرض سكك القطارات لتغيرات كبيرة في الحرارة. إن كانت السكك ملحومة معا بدون مسافات بينها، فلا يوجد مجال لتتمدد عندما ترتفع الحرارة. قد تنثني القضبان وتتشوه، وقد تخرج القطارات عن مسارها! إحدى طرق تجنب الانبعاج هي استخدام قضبان أقصر وترك فجوات صغيرة بينها. هذا لأن التمدد يتناسب مع كمية المواد. القضبان الأقصر تتمدد أقل من الأطول. تسمح الفجوات بين القضبان بتمدد القضبان دون تشوهها . يستخدم التمدد الحراري لرصد الحرارة عادة. أكثر الاستخدامات شيوعا هو ترمومتر السائل في زجاج، وله أنبوب شعري يحتوي على سائل كالكحول. يتوافق مقياس الترمومتر مع مدى تمدد السائل داخل الأنبوب الشعري، بناءً على تغير الحرارة. نوع آخر من الترمومتر يشمل شريطا خاصا مصنوعا من نوعين من المعدن مندمجان معا بطولهما. شريط ثنائي المعدن. المعدنان يتمددان وينكمشان بمعدلين مختلفين مع الحرارة أو البرودة. هذا يُسبب انثناء الشريط ثنائي المعدن. تستخدم هذه الشرائط في الأجهزة التي تتحكم بدرجة الحرارة - الترموستات. تتأثر الغازات أيضًا بالتمدد الحراري! كإطارات السيارات والدراجات مثلا. للإطارات عادة توصيات من الشركة المصنعة لمقدار الهواء والضغط الذي يمكنها تحمله. لماذا ا؟ عندما تتحرك السيارة أو الدراجة بسرعة، يسخن الهواء بالداخل ويتمدد. إن كان الإطار منتفخا جدا، فقد ينفجر! تتعرض معظم المواد في حياتنا اليومية لتغيرات الحرارة، فتتمدد وتنكمش طوال الوقت. المعرفة عن التمدد الحراري تمكّن المصممين والمهندسين والمصنعين من توفير حلول ومنتجات أفضل. ويمكن أن تساعدك عندما يصعب عليك فتح جرة!