On teada, et kuumuse mõjul kiirendavad osakesed oma kaootilist liikumist. Kui soojendate gaasi, hajuvad selle moodustavad molekulid lihts alt üksteisest laiali. Kuumutatud vedeliku maht suureneb esm alt ja hakkab seejärel aurustuma. Mis saab tahketest ainetest? Mitte igaüks neist ei saa oma koondolekut muuta.
Soojuspaisumise määratlus
Soojuspaisumine on kehade suuruse ja kuju muutumine koos temperatuuri muutumisega. Matemaatiliselt on võimalik arvutada mahupaisumistegur, mis võimaldab prognoosida gaaside ja vedelike käitumist muutuvates välistingimustes. Tahkete ainete puhul samade tulemuste saamiseks tuleb arvestada joonpaisumisteguriga. Füüsikud on seda tüüpi uuringute jaoks välja toonud terve osa ja nimetanud seda dilatomeetriaks.
Insenerid ja arhitektid vajavad hoonete projekteerimiseks, teede ja torude paigaldamiseks teadmisi erinevate materjalide käitumise kohta kõrge ja madala temperatuuri mõjul.
Gaasi paisumine
Soojusgaaside paisumisega kaasneb nende ruumala paisumine ruumis. Seda märkasid loodusfilosoofid iidsetel aegadel, kuid matemaatilisi arvutusi suutsid teha ainult tänapäeva füüsikud.
Kõigepe alt hakkasid teadlased huvi tundma õhu paisumise vastu, kuna see tundus neile teostatav ülesanne. Nad asusid asja kallale nii innuk alt, et said üsna vastuolulisi tulemusi. Loomulikult ei olnud teadlaskond sellise tulemusega rahul. Mõõtmise täpsus sõltus kasutatud termomeetrist, rõhust ja paljudest muudest tingimustest. Mõned füüsikud on isegi jõudnud järeldusele, et gaaside paisumine ei sõltu temperatuurimuutustest. Või on see sõltuvus mittetäielik…
D altoni ja Gay-Lussaci teosed
Füüsikud jätkaksid vaidlemist seni, kuni nad on kähedad, või oleksid mõõtmised ära jätnud, kui poleks John D altonit. Tema ja teine füüsik Gay-Lussac suutsid sõltumatult saada samad mõõtmistulemused samal ajal.
Lussac püüdis leida nii paljude erinevate tulemuste põhjust ja märkas, et katse ajal oli mõnes seadmes vett. Loomulikult muutus see kuumutamise käigus auruks ja muutis uuritavate gaaside kogust ja koostist. Seetõttu kuivatas teadlane esimese asjana põhjalikult kõik instrumendid, mida ta katse läbiviimiseks kasutas, ja välistas uuritavast gaasist isegi minimaalse niiskuse protsendi. Pärast kõiki neid manipuleerimisi osutusid esimesed katsed usaldusväärsemaks.
D alton tegeles selle probleemiga kauemoma kolleegi ja avaldas tulemused päris 19. sajandi alguses. Ta kuivatas õhku väävelhappeauruga ja soojendas seejärel. Pärast mitmeid katseid jõudis John järeldusele, et kõik gaasid ja aurud paisuvad koefitsiendiga 0,376. Lussac sai numbriks 0,375. Sellest sai uuringu ametlik tulemus.
Veeauru elastsus
Gaaside soojuspaisumine sõltub nende elastsusest, st võimest naasta algsele mahule. Ziegler oli esimene, kes seda küsimust uuris XVIII sajandi keskel. Kuid tema katsete tulemused olid liiga erinevad. Usaldusväärsemad arvud sai James Watt, kes kasutas kõrgete temperatuuride jaoks pada ja madalate temperatuuride jaoks baromeetrit.
18. sajandi lõpus püüdis prantsuse füüsik Prony tuletada ühtset valemit, mis kirjeldaks gaaside elastsust, kuid see osutus liiga tülikaks ja raskesti kasutatavaks. D alton otsustas testida kõiki arvutusi empiiriliselt, kasutades selleks sifoonibaromeetrit. Vaatamata sellele, et temperatuur ei olnud kõigis katsetes sama, olid tulemused väga täpsed. Nii avaldas ta need tabelina oma füüsikaõpikus.
Aurustumise teooria
Gaaside soojuspaisumine (füüsikalise teooriana) on läbi teinud mitmesuguseid muutusi. Teadlased püüdsid jõuda auru tootmise protsesside põhja. Siin paistis taas silma tuntud füüsik D alton. Ta oletas, et iga ruum on gaasiauruga küllastunud, olenemata sellest, kas seda selles reservuaaris leidub(ruum) mis tahes muu gaas või aur. Seetõttu võib järeldada, et vedelik ei aurustu lihts alt kokkupuutel atmosfääriõhuga.
Õhusamba rõhk vedeliku pinnale suurendab aatomite vahelist ruumi, rebenes need osadeks ja aurustades, st aitab kaasa auru tekkele. Kuid gravitatsioon mõjutab aurumolekule jätkuv alt, nii et teadlased arvutasid välja, et atmosfäärirõhk ei mõjuta vedelike aurustumist.
Vedelike paisumine
Vedelike soojuspaisumist uuriti paralleelselt gaaside paisumisega. Teadusliku uurimistööga tegelesid samad teadlased. Selleks kasutasid nad termomeetreid, aeromeetreid, sideanumaid ja muid instrumente.
Kõik katsed koos ja igaüks eraldi lükkasid ümber D altoni teooria, mille kohaselt homogeensed vedelikud paisuvad proportsionaalselt temperatuuri ruuduga, milleni neid kuumutatakse. Muidugi, mida kõrgem on temperatuur, seda suurem on vedeliku maht, kuid otsest seost selle vahel ei olnud. Jah, ja kõikide vedelike paisumiskiirus oli erinev.
Näiteks vee soojuspaisumine algab null kraadist Celsiuse järgi ja jätkub temperatuuri langedes. Varem seostati selliseid katsetulemusi sellega, et vesi ise ei paisu, vaid aheneb anum, milles see asub. Kuid mõni aeg hiljem jõudis füüsik Deluca siiski järeldusele, et põhjust tuleks otsida vedelikust endast. Ta otsustas leida selle suurima tihedusega temperatuuri. See tal aga hooletuse tõttu ei õnnestunudmõned detailid. Rumforth, kes seda nähtust uuris, leidis, et vee maksimaalne tihedus on vahemikus 4 kuni 5 kraadi Celsiuse järgi.
Kehade soojuspaisumine
Tahketes ainetes on peamiseks paisumismehhanismiks kristallvõre vibratsiooni amplituudi muutumine. Lihtsam alt öeldes hakkavad materjali moodustavad aatomid, mis on üksteisega jäig alt seotud, „värisema“.
Kehade soojuspaisumise seadus on sõnastatud järgmiselt: iga keha lineaarse suurusega L kuumutamisel dT võrra (delta T on algtemperatuuri ja lõpptemperatuuri vahe), paisub dL võrra. (delta L on lineaarse soojuspaisumise koefitsiendi tuletis objekti pikkuse ja temperatuuride erinevuse järgi). See on selle seaduse kõige lihtsam versioon, mis vaikimisi arvestab sellega, et keha laieneb korraga igas suunas. Kuid praktilise töö jaoks kasutatakse palju tülikamaid arvutusi, kuna tegelikkuses käituvad materjalid füüsikute ja matemaatikute modelleeritutest erinev alt.
Rööpa soojuspaisumine
Raudtee rajamisel on alati kaasatud füüsikainsenerid, kes oskavad täpselt välja arvutada, kui suur peaks olema rööbaste ühenduste vaheline kaugus, et rööpad kuumutamisel või jahutamisel ei deformeeruks.
Nagu eespool mainitud, kehtib termiline lineaarne paisumine kõikide tahkete ainete puhul. Ja raudtee pole erand. Kuid on üks detail. Lineaarne muutustekib vab alt, kui kehale ei mõju hõõrdejõud. Rööpad on jäig alt liiprite külge kinnitatud ja külgnevate rööbaste külge keevitatud, mistõttu pikkuse muutust kirjeldav seadus võtab arvesse takistuste ületamist joon- ja põkktakistuste näol.
Kui rööp ei saa muuta oma pikkust, siis temperatuuri muutumisel suureneb selles termiline pinge, mis võib seda nii venitada kui ka kokku suruda. Seda nähtust kirjeldab Hooke'i seadus.
