Коефіцієнт лінійного розширення - можна все розрахувати

Кожному, напевно, знаком перестук вагонних коліс. Або стукіт коліс трамвая. Всі знають, що причиною цього є зазор на стику між рейками. А для чого він зроблений? Відповідь проста - компенсувати розширення рейок при нагріванні. Це теж загальновідомий факт, що при нагріванні тіла розширюються, а при охолодженні стискаються. А заходом такого розширення або стиснення є коефіцієнт лінійного розширення.

Молекулярна теорія розширення тіла при нагріванні пояснюється збільшенням швидкості руху атомів і молекул речовини. В результаті чого в кристалічній решітці амплітуда коливань атомів збільшується і, як наслідок - збільшуються лінійні розміри тіла. А на скільки відбудеться збільшення, можна визначити за допомогою формули, в якій застосовується коефіцієнт лінійного розширення.

Тепер треба пояснити фізичний зміст коефіцієнта. Він показує, на скільки збільшиться при нагріванні на 1 ° С довжина тіла. Величина ця незначна і для кожного матеріалу своя. Так, коефіцієнт лінійного розширення сталі складає 0,000011 на 1 ° С. Що собою являє реально подібна величина, можна зрозуміти на простому прикладі. Якщо по екватору обернути Землю залізним дротом, довжина якої складе 40000 км, то при збільшенні температури на 1 ° С довжина дроту збільшиться на 400 метрів.

Коефіцієнт лінійного розширення надзвичайно важливий для будь-якого інженера. Він дозволяє врахувати зміну розмірів тіла при перепаді температур. Так, якщо протягом року температура в місті буде змінюватися від плюс п`ятдесят градусів Цельсія до мінус п`ятдесят градусів Цельсія, це викличе значні зміни довжини тих же рейок. Якщо вони будуть суцільні, підсумком буде їх вигин. Ось для уникнення подібного явища і роблять зазор між рейками при їх укладанні.

Для різних матеріалів значення коефіцієнта буде різним. Для стали його значення вже наводилося, а коефіцієнт лінійного розширення алюмінію складе 0,0000024 на 1 ° С.

Однак наведені міркування і приклади страждають деякою однобокістю. Коли ми говоримо про збільшення розмірів тіла при нагріванні, збільшується не тільки довжина, але й інші розміри - ширина і висота. Збільшення розмірів призведе до збільшення обсягу, і тоді можна говорити про об`ємний розширенні тел. Правда таке поняття швидше застосовується не до твердих тіл, а до рідин.

Простий експеримент, який підтвердить це, може зробити кожен самостійно. Поставте на вогонь чайник, наповнений водою до самого верху. Коли вода нагріється, вона збільшиться в об`ємі і "втече" з чайника. Але є й позитивний використання подібного ефекту. Усім добре знайомі рідинні термометри - що вуличні, що медичні. Вони теж побудовані на ефекті збільшення обсягу при нагріванні.

У техніці часом ігнорування подібного збільшення призводить до сумних наслідків. Для компенсації збільшення необхідно використовувати спеціальні заходи. Багатьом доводилося бачити довгий ряд труб (трубопровід), прокладених по поверхні. І раптом на рівному місці труби утворюють величезний зигзаг. Це не простий зигзаг, його величина строго певна, при розрахунку був використаний коефіцієнт лінійного розширення. Зроблений подібний зигзаг для компенсації лінійного збільшення розмірів труб.

Можна ще навести безліч прикладів використання в техніці лінійного і об`ємного розширень, але й наведених прикладів достатньо для розуміння суті явища. Звичайно, дуже цікаво аномальна поведінка деяких речовин, тієї ж самої води. У неї при замерзанні об`єм не зменшується, а збільшується. Це буде ще одним фактором, який підтверджує унікальні властивості води.

Отже, в даній статті на підставі простих і наочних прикладів з життя визначено таке поняття як лінійне розширення тіл і коефіцієнт лінійного розширення. Наведено приклади використання розширення в техніці і в побуті, дані поняття про порядок величин згаданого коефіцієнта.