Rozszerzalność cieplna i jej zastosowania

Aaaaahhhh! Linaaa! Pomożesz mi otworzyć ten słoik? Zaklinowało się! Jak to odkręcić?

Wypróbujcie taki trik! Weźcie miskę i wlejcie do niej trochę gorącej wody. Włóżcie do niej zakręcony słoik do góry dnem, tak aby wieczko było zanurzone. Zostawcie słoik na kilka minut. Wyjmijcie słoik z miski i teraz spróbujcie go otworzyć.

Ojej, to było proste! Jak to się stało? Słoik i wieczko, tak jak wszystkie substancje, składają się z cząsteczek, które się poruszają. Na ich ruchy wpływa temperatura. Gdy przedmiot lub substancja zostaną podgrzane, ich cząsteczki zaczynają poruszać się szybciej i oddalać się od siebie.

To powoduje, że materiał zaczyna się rozszerzać. Taką właściwość substancji do zwiększania się pod wpływem ciepła nazywamy rozszerzalnością cieplną. Jednak gdy substancja zostanie schłodzona, jest odwrotnie. Poruszające się cząsteczki zwalniają i zaczynają się do siebie zbliżać. Zmniejsza się objętość, czyli substancja kurczy się.

Dochodzi do termicznego kurczenia się. To, jak bardzo dany materiał rozszerza się lub kurczy zależy od zmiany temperatury, ilości tego materiału oraz jego właściwości. Różne materiały rozszerzają się w różnym stopniu. W przypadku naszego słoika, gdy gorąca woda ogrzewa metalową pokrywkę, jej objętość zmienia się i zwiększa się jej średnica. Szklany słoik nie rozszerza się tak bardzo, dlatego różnica w średnicy pozwala łatwo odkręcić wieczko.

Różne stopnie rozszerzalności materiałów, czyli ich współczynniki rozszerzalności cieplnej, mają ogromne znaczenie przy stawianiu budynków, mostów czy innych dużych konstrukcji. Często używa się w nich betonu wzmocnionego stalowymi prętami. Pręty rozszerzają się i kurczą w podobny sposób do betonu. W przeciwnym razie beton popękałby i z czasem zacząłby się kruszyć. Tory kolejowe są często narażone na duże wahania temperatur.

Jeśli szyny są ze sobą zespawane i nie ma między nimi przerw, nie mogą swobodnie się rozszerzać, gdy wzrasta temperatura. Tory kolejowe mogą wtedy zacząć się wyginać i deformować, a to może doprowadzić do wykolejenia się pociągu! Aby uniknąć odkształceń torów, dzieli się je na odcinki i zostawia między nimi małe przerwy. To dlatego, że rozszerzalność materiału jest proporcjonalna do ilości tego materiału, czyli krótsze fragmenty szyn będą rozszerzać się mniej niż dłuższe. Dzięki przerwom w szynach tory mogą swobodnie się rozszerzać i nie dochodzi do ich odkształceń.

Rozszerzalność cieplną często stosuje się do mierzenia temperatury. Najczęściej wykorzystywana jest w tradycyjnych termometrach z cieczą. W termometrze znajduje się rurka kapilarna, która zawiera ciecz, na przykład alkohol. Skala termometru odpowiada temu, jak bardzo rozszerza się ciecz w rurce kapilarnej pod wpływem temperatury. W innego rodzaju termometrach znajduje się specjalny paseczek zrobiony z dwóch rodzajów metalu, które zostały ze sobą stopione na całej długości.

Jest to taśma bimetalowa. Przy podgrzewaniu i schładzaniu metale te rozszerzają się i kurczą w różnym stopniu. To powoduje, że taśma bimetalowa wygina się. Takie taśmy często stosuje się w urządzeniach kontrolujących temperaturę, czyli termostatach. Rozszerzalność cieplna dotyczy także gazów!

Weźmy na przykład opony samochodowe i rowerowe. Zalecenia ich producentów określają, jakie ciśnienie powietrza wytrzymają określone opony. To dlatego, że gdy samochód czy rower jedzie szybko, powietrze wewnątrz opon rozgrzewa się i rozszerza. Jeśli opony są za mocno napompowane, mogą pęknąć! Większość materiałów używanych w codziennym życiu narażona jest na zmiany temperatur, więc materiały te ciągle rozszerzają się i kurczą.

Wiedza dotycząca rozszerzalności cieplnej pozwala projektantom, inżynierom i producentom stosować lepsze rozwiązania i tworzyć lepsze produkty. A nam wiedza ta może się przydać, gdy następnym razem będziemy mieli problem z otworzeniem słoika!