التمدد قد يكون للمواد الصلبة او السوائل وحتى الغازات. الأسلوب الفيزيائي في معرفة تمدد الأجسام والمعادن مختلف حسب حالات المادة الثلاثة الأساسية. لهذا سوف نكتشف في هذه الصفحة كل ما يخص التمدد ولكن بأسلوب بسيط جدا مختلف عما يتم شرحه في صفحات اخرى. يمكن الاعتماد على محتوى هذا المقال كبحث من أجل الدراسة والاستفادة التامة. نستقبل التعليقات بخصوص الاسئلة التي تحتاج الى اجابة ضمن نفس التعليقات الخاصة بالصفحة.
ما أثر الحرارة في التمدد للأجسام؟
إذا نظرت إلى أسلاك الكهرباء في فصل الصيف فإنها تبدو متدلية، بينما تبدو مشدودة في فصل الشتاء، ما سبب ذلك ؟ كما تلاحظ صعود الزئبق في المحرار الطبي . عند قياس درجة حرارة جسمك، ونلاحظ ارتفاع المنطاد إلى الأعلى إذا ارتفعت درجة حرارته ؟ ما تفسير كل ذلك ؟
ارتفاع المنطاد بتأثير الحرارة الاسلاك المرتخية صيفا أن معظم المواد سواء كانت صلبة أو سائلة أو غازية تتمدد بتأثير الحرارة ، وسبب هذا التمدد هو أن الحرارة التي تكتسبها المواد تزيد من الطاقة الحركية لجزيئاتها ، فتزداد المسافات البينية بين تلك الجزيئات وهذا يؤدي إلى حصول التمدد الحراري للمواد وهو تغير في أبعاد جزيئاتها عن بعضها البعض مما أدى الى تغيير في أبعاد المادة عند تغير درجة حرارتها .
الفكرة الرئيسة:
تتمدد معظم المواد بارتفاع درجة حرارتها نتيجة لازدياد الطاقة الحركية لجزيئاتها وتتقلص بالتبريد نتيجة لنقصان طاقتها الحركية .
نتاجات التعلم: في نهاية هذا الدرس سأكون قادرا على أن:
- أوضح العلاقة بين اثر الحرارة في الأجسام ومقدار ما يتمدد .
- افسر بعض التطبيقات الفيزيائية لتمدد الأجسام الصلبة.
- أقارن بين تمدد المواد الصلبة والسائلة والغازية .
- افسر ظاهرة شذوذ الماء.
المفردات لموضوع التمدد :
- التمدد الحراري Thermal Expansion
- التمدد الطولي longitudinal Expansion
- معامل التمدد Coefficient of the Expansion
- التمدد السطحي Surface Expansion
- التمدد الحجمي Volume Expansion
تمدد الأجسام الصلبة :
تتمدد معظم الأجسام الصلبة بالتسخين وتتقلص بالتبريد، ويحدث بالاضافة الى التقلص في أبعاد الجسم الثلاثة (الطول والعرض والارتفاع). وبما أن للجسم الصلب شكل ثابت وحجم ثابت، لذلك يمكن قياس مقدار ما يتمدد الحاصل في أي بعد من أبعاده عندما ترتفع درجة حرارته نتيجة التسخين . وتسمى الزيادة الحاصلة في طول الجسم الصلب وما يتمدد طوليا، والزيادة الحاصلة في مساحة سطح الجسم الصلب يسمى التمدد السطحي أما الزيادة الحاصلة في حجمه فتسمى التمدد الحجمي.
سؤال: ما التمدد الحراري للمواد؟
التمدد الطولي للمواد الصلبة:
ماسبب ترك فواصل بين قضبان سكك الحديد عند تركيب سكة الحديد ولماذا لا تكون قطعة واحدة؟ انه بسبب التمدد الطولي الذي يحصل عندما ترتفع درجة الحرارة صيفا ، إذ يلاحظ أن قضبان السكك الحديد تتمدد صيفا وتتقلص شتاء تبعا لاختلاف درجة الحرارة ، فإذا كانت القضبان مثبتة من جهتيها فلا يبقى لها مجال تتمدد صيفا، فانها تتقوس وتصبح ملتوية وينحرف القطار عن مساره، ولتلافي ذلك يترك بين حافتي كل قضيبين مسافة مناسبة وكافية لكي تتمدد عندما تبلغ درجة الحرارة أقصاها صيفا . فازدیاد طول الأجسام عند ارتفاع درجة حرارتها يسمى التمدد الطولي للاجسام الصلبة. وهو الزيادة الحاصلة في طول الجسم إذا ارتفعت درجة حرارته .
التمدد الطولي
أدوات النشاط : سلك نحاسي رفيع، حاملان، مصدر حراري .
خطوات العمل :
- أثبت السلك النحاسي من طرفيه وهو مشدود على حاملين كما في الشكل ادناه.
- أضع المصدر الحراري أسفل السلك.
- أحرك المصدر الحراري ، يمينا ويسارا على طول السلك، ماذا ألاحظ ؟
- ابعد المصدر الحراري، وأنتظر قليلا ماذا ألاحظ؟
- ماسبب تغير شكل السلك في أثناء تسخينه .
ما العوامل المؤثرة في تمدد الأجسام ؟
توجد عوامل عدة تؤثر في تمدد الأجسام الصلبة منها:
- طول السلك : إذ كلما ترتفع درجة حرارة السلك المعدني يزداد طوله.
- درجات الحرارة : يزداد التمدد الطولي للجسم الصلب بازدياد درجة حرارته. بسبب اختلاف كمية الحرارة التي يكتسبها، أي أن مقدار التغير في الطول يتناسب طردية مع تغير درجة الحرارة .
- نوع المادة الصلبة : الأجسام لا تتمدد بالمقدار نفسه وإنما تتمدد بمقادير مختلفة ، فمثلا عند رفع درجة حرارة سلكين لهما طول و قطر متساويين أحدهما من النحاس والآخر من الرصاص درجة سيليزية واحدة، فإن الزيادة في سلك الرصاص تكون أكبر من سلك النحاس . وإذا كان الفلزان مثبتان معا بشكل شريط فأن تمدد احدى المادتين سيكون بمقدار أكبر من المادة الأخرى ، وسيؤدي إلى انحناء الشريط . لكي نقارن بين مقادير ما يتمدد طوليا للمواد المختلفة ، نجد أن كلا منها يتمدد مقدار معينة يختلف عن المواد الأخرى .
سؤال: ما العوامل التي يتوقف عليها مقدار ما يتمدد طوليا للأجسام الصلبة؟
التمدد السطحي:
سطوح الأجسام الصلبة تتمدد ببعدين ، وإذا تعرض سطح ما التأثير الحرارة فإن كلا من بعديه سيطرأ عليهما يتمدد طوليا ، أي إنه يحصل في مساحة مقطع الجسم عندما ترتفع درجة حرارته، وتسمى الزيادة في مساحة مادة صلبة بسبب ارتفاع درجة حرارتها يتمدد سطحيا .
التمدد الحجمي :
ما الذي يحصل عند تسخين كرة معدنية صلبة ؟ إنها تتمدد فيزداد حجمها ويصبح قطرها أكبر ، وعند تسخين جسم صلب مكعب الشكل فإنه يتمدد وتزداد اطوال أضلاعه جميعها بالنسب نفسها ، إذ يتمدد حجميا، وتسمى الزيادة في حجم الأجسام الصلبة عند ارتفاع درجة حرارتها يتمدد حجميا .
تمدد السوائل
يزداد حجم السائل بإرتفاع درجة حرارته إذ يتمدد تمددا حجمية نتيجة لازدياد الطاقة الحركية لجزيئات ذلك السائل بالتسخين، ويختلف مقدار ما يتمدد حجميا للسوائل باختلاف نوع السائل، فلو تم تسخين نوعين مختلفين من السوائل مثل الزيت والماء في درجة الحرارة نفسها والظروف نفسها نجد أن الزيت يتمدد أكثر من الماء.
أملأ الدورق بالماء حتى فوهته ، ثم أغمر انبوبة رفيعة داخل الدورق واجعل جزءا من الأنبوبة يبرز فوق فوهة الدورق ونضع الدورق في حوض فيه ماء ونسخن الحوض بوساطة مصدر حراري، ماذا نلاحظ ؟ نلاحظ بداية التسخين أن مستوى الماء داخل الدورق ينخفض بسبب تمدد الدورق أو عند اكتسابه الحرارة . وعند الاستمرار بالتسخين يسخن الماء ونلاحظ صعود الماء داخل الأنبوبة من فوهة الدورق اي ان الماء ازداد حجمه اي انه يتمدد بالحرارة .
سؤال: عند وضع المحرار في سائل ساخن ، فإنه ينخفض قليلا في البداية ثم يرتفع ، ماسبب ذلك ؟
تمدد المواد الصلبة بالحرارة
أدوات النشاط: حلقة معدنية وكرة معدنية قطرها بقدر القطر الداخلي الحلقة مثبت كل منهما بماسك ذو مقبض من مادة عازلة للحرارة.
الخطوات:
- ادخل الكرة المعدنية في تجويف الحلقة ، ماذا تلاحظ؟
- أسخن الكرة بوساطة مصدر حراري لمدة زمنية معينة ، ثم احاول ادخالها في الحلقة ، ماذا تلاحظ ؟ ولماذا
- فسر ماذا حدث للكرة المعدنية عند تسخينها ؟
ما شذوذ الماء ؟
تتمدد السوائل بإرتفاع درجة حرارتها إذ يزداد حجمها عند التسخين وتتقلص عند التبريد فيقل حجمها ، ويشذ الماء عن هذه القاعدة بين درجتي 0°C و 4°C إذ يسلك سلوكا خاصا ، فعند انخفاض درجة حرارة الماء أقل من 4°C يتمدد الماء وتقل كثافته بدلا من أن يتقلص حجمه كباقي السوائل.
أما الماء يتمدد فوق درجة حرارة 4°C فهو يتمدد طبيعيا ، ولهذه الظاهرة أهمية كبيرة في الطبيعة للحفاظ على حياة الأحياء المائية ، فعندما تنخفض درجة حرارة الجو تتجمد سطوح مياه البحيرات والأنهار بينما يبقى الماء تحت السطوح المتجمدة بشكل سائل بدرجة 4°C مما يحافظ على حياة الكائنات الحية .
كيف تتمدد الغازات
عرفت سابقا أن الغازات لا تملك حجم أو شكلا ثابتة ، و تمتاز بقابليتها على الانتشار وملء الحيز الذي توجد فيه بسبب ضالة القوى الجزيئية بين جزيئاتها ، لهذا تم الغازات الوعاء المغلق الذي يحتويها ، وتمتاز الغازات بتساوي معامل التمدد الحجمي لجميعها عند ثبوت الضغط خلافا للمواد الصلبة والسائلة.
اسئلة منوعة
- ما سبب تمدد المواد بارتفاع درجة الحرارة؟
- ما التمدد الطولي للأجسام الصلبة؟
- ماسبب تدلي أسلاك الكهرباء في فصل الصيف ؟
- ما الذي يحصل لحجم السائل عند زيادة درجة حرارته ؟
- ماذا تسمى الزيادة الحاصلة في مساحة سطح الجسم الصلب ؟
- فسر شذوذ الماء ؟
- وضح لماذا تتمدد المواد الصلبة والسائلة والغازية بتأثير الحرارة ؟
- لماذا تنفجر البالونات المملوءة بالغاز إذا تركت تحت أشعة الشمس ؟
- في ضوء حركة الجسيمات ، لماذا يتمدد الغاز أكثر من السائل والصلب عند التسخين ؟
- لماذا لا تملك الغازات حجم أو شك ثابتة ؟ ولها القابلية على الانتشار؟
إضافة تعليق
يجب عليك تسجيل الدخول او التسجيل لتستطيع اضافه تعليق .