Теплове розширення та як його застосовувати

Ліна! Допоможи мені відкрити банку! Я не можу! Як відкрити банку? Спробуйте цей лайфхак! Візьміть миску і налийте в неї гарячої води. Поставте банку в миску догори дном, щоб кришка була в воді. Залиште її там на пару хвилин. Вийміть банку і спробуйте відкрити. Ти ба, це було легко! Як же це сталося?! Банка й кришка, як і всі речовини, складаються з частинок, що рухаються. На цей рух впливає температура. Коли речовина або предмет нагріваються, частинки всередині рухаються швидше й віддаляються одна від одної. Це призводить до розширення матеріалу. Таку схильність речовин до розширення при нагріванні називають тепловим розширенням. З іншого боку, коли речовина холоне, відбувається зворотній процес. Рухомі частинки в речовині сповільнюються і стягуються одна до одної. Обсяг речовини зменшується — речовина стискається. Це теплове стиснення. Наскільки матеріал розшириться чи стиснеться, залежить від зміни температури, об'єму матеріалу та його властивостей. Різні матеріали розширюються з різною швидкістю. В нашій банці з нагріванням металевої кришки в неї змінюється об’єм та збільшується діаметр. Скляна банка не так сильно розширюється, тож різниці в їхніх діаметрах достатньо, щоб відкрутити кришку. Різна швидкість розширення речовин — — їхній коефіцієнт розширення — — дуже важливий за будівництва споруд, мостів або інших великих конструкцій. Їх часто будують з використанням бетону, укріпленого сталевими прутами. Сталеві прути мають розширюватися й стискатися приблизно з тією ж швидкістю, як і бетон. Інакше бетон може тріснути й розсипатися. Залізничні колії зазнають значних перепадів температури. Якщо рейки зварюють без проміжків між ними, місця для розширення при підвищенні температури їм бракує. Рейки згинаються та деформуються, і поїзд може зійти з рейок! Щоб уникнути деформацій, треба брати коротші рейкові сегменти й залишати між ними зазори. Розширення є пропорційним до об'єму матеріалу — коротші сегменти рейок розширюються менше, ніж довші. Зазори між рейками забезпечують розширення рейок без їхньої деформації. Теплове розширення часто застосовують для визначення температури. Типовим прикладом є рідинні скляні термометри. В них є капілярна трубка, що містить рідину, як-от спирт. Шкала на термометрі відповідає розширенню рідини всередині трубки, що залежить від зміни температури. В інший тип термометра вбудована спеціальна смуга з двох різних типів металу, з'єднаних по своїй довжині, — це біметалева смуга. Два метали в ній розширюються й стискаються з різним темпом при зміні температури. І тому ця смуга згинається. Такі смуги часто застосовують в приладах контролю за температурою — в термостатах. На гази теплове розширення також впливає! Візьмемо автомобільні й велосипедні шини. На шинах часто є рекомендації, де зазначено, скільки повітря і який тиск вони утримують. Навіщо? Коли транспорт рухається швидко, повітря всередині нагрівається й розширюється. Перекачана шина може лопнути! Більшість звичних нам матеріалів зазнають змін температур і весь час розширюються та стискаються. Знання про температурне розширення дозволяє дизайнерам, інженерам та виробникам створювати кращі рішення та продукти. І вони стануть вам в нагоді наступного разу, коли треба буде відкрити банку!