Fa_flag   En_flag
company1
company2
company3
company0
علوم پایهفیزیک

انبساط و انقباض چیست؟ | توضیح کامل به زبان ساده | علوم پنجم و هفتم

دو پدیده مهم در فیزیک، انبساط و انقباض است که با گرفتن و یا از دست دادن گرما اتفاق می افتد. در زندگی روزمره با بسیاری از مثال های انقباض و انبساط مواجه هستیم و همچنین در صنعت نیز این دو از پدیده های مهم هستند.

اجسام با گرفتن گرما و بزرگتر شدن دچار انبساط شده ولی با از دست دادن گرما و کوچک شدن، منقبض می شوند. به عنوان مثال قرار دادن یک بادکنک در دهانه یک بطری شیشه ای و گذاشتن آن داخل آب داغ، باعث باد شدن بادکنک و ایجاد انبساط می شود. اما با قرار دادن همین بطری داخل آب یخ، بادکنک چروکیده و منقبض می شود.

در کتاب علوم هفتم، پدیده های انبساط و انقباض مورد بحث قرار گرفته است. مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک حاضر نیز ما را به طور کامل با انبساط و انقباض و شرایط وقوع آن ها آشنا می کند.

تغییرات در مواد چگونه صورت می گیرد؟

دو نوع تغییرات فیزیکی و شیمیایی می تواند در یک ماده رخ دهد. تغییراتی که در خواص فیزیکی مواد رخ می دهد به نام تغییرات فیزیکی بوده و قابل برگشت هستند و تغییرات ایجاد شده در خواص شیمیایی مواد را تغییرات شیمیایی می گویند که غیرقابل برگشت هستند. در یک تغییر شیمیایی، مواد واکنش دهنده به محصول تبدیل شده و در این تغییرات می تواند گاز ایجاد شده و یا رسوب تشکیل شود. پختن، زنگ زدن آهن، تغییر رنگ کروم در نتیجه ی اکسید شدن و … نمونه هایی از تغییرات شیمیایی است.

اما وقتی یک تغییر فیزیکی در یک ماده ای ایجاد می شود، ماهیت ماده عوض نشده و ماده شیمیایی جدیدی تشکیل نمی شود. در این تغییر، فقط حالت مواد تغییر می کند. تشکیل یک اسموتی از میوه های مختلف که همراه با تغییر شکل میوه ها و ترکیب شدن آن هاست، نمونه ای از تغییر فیزیکی است. خرد و آسیاب کردن، پاره شدن و تغییرات فازی مانند ذوب شدن، یخ زدن، جوشاندن و … نمونه هایی از این تغییرات هستند. در این مقاله دو پدده فیزکی انبساط و انقباض که نوعی تغییر فیزیکی محسوب می شوند، بررسی می شود.

انبساط چیست؟

وقتی ماده ای در پاسخ به تغییرات دما، میل به تغییر شکل، مساحت، حجم و چگالی خود پیدا می کند، بدون آن که انتقال فازی رخ دهد، انبساط رخ می دهد. با گرم شدن ماده، مولکول های تشکیل دهنده آن با ایجاد حرکت و ارتعاش بیشتر، با فاصله بیشتری نسبت به هم قرار می گیرند. در نتیجه بزرگتر شده و دچار انبساط می شوند. اما موادی نیز به عنوان استثنا هستند که با افزایش دما به جای انبساط، دچار انقباض می شوند که این تغییر در محدوده دمایی خیلی محدودی در این مواد اتفاق می افتد.

انبساط چیست؟
انبساط چیست؟

ضریب انبساط حرارتی از تقسیم انبساط نسبی به نام تنش بر تغییر دما به دست می آید. وقتی انرژی ذرات بالا می رود، حرکت آن ها با سرعت بیشتری انجام شده و در نتیجه نیروهای بین مولکولی ضعیف و کوچکتر می شود. نتیجه ی این رفتارها، بزرگتر شدن ماده و منبسط شدن آن هاست.

عوامل موثر در انبساط

گازها و مایعات در هنگام انبساط حرارتی به راحتی شکل خود را از دست می دهند، ولی جامدات سعی دارند شکل خود را حفظ کنند. وقتی انرژی پیوند در مواد زیاد می شود، انبساط حرارتی کم شده و این عامل موثر در نقطه ذوب جامدات است. به علت کمتر بودن انبساط حرارتی در موادی با نقطه ذوب بالا، انبساط مایعات در مقایسه با جامدات، به مقدار کمی بیشتر خواهد بود. شیشه ها نیز نسبت به کریستال ها، کمی بیشتر، منبسط می شوند. وقتی شیشه در دمای انتقال باشد، ناپیوستگی مشخص ضریب انبساط حرارتی و گرمای ویژه در نتیجه ی بازآرایی ایجاد شده در یک ماده بدون شکل رخ می دهد. با این ناپیوستگی ها می توان، دمای انتقال شیشه ای را مشخص کرده و شیشه از مایع فوق خنک شده تشکیل می شود.

اندازه و بزرگی برخی از مواد آلی نیز می تواند با جذب و یا دفع آب و یا برخی از حلال های دیگر تغییر کند. این اثر نسبت به انبساط حرارتی، بیشتر منجر به تغییر اندازه در مواد آلی می شود. قرار گرفتن پلاستیک های معمولی در طولانی مدت در مجاورت با آب می تواند باعث انبساط آن ها شود.

عوامل موثر در انبساط
عوامل موثر در انبساط

چگالی و انبساط

انبساط حرارتی، با تغییر دادن فضای بین ذرات، می تواند حجم آن را تغییر دهد. در این تغییرات، جرم نیز به میزان کمی تغییر پیدا کرده و در نتیجه ی این تغییرات، چگالی دچار تغییر می شود. تغییر در چگالی در سیالت بسیار مهم است و نمونه ای از آن در جابجایی توده های سیال گرم شده غیریکنواخت است.

انقباض چیست؟

پاسخ مواد در مقابل کاهش دما که به صورت کوچک شدن اندازه آن هاست، انقباض حرارتی نامیده می شود که یک تغییر فیزیکی در ماده است. با کاهش دما، انرژی گرمایی اتم ها از دست رفته و ارتعاش و نوسان آن ها کمتر می شود. در نتیجه حرکت اتم ها خیلی کند و نزدیک به هم می شود. پس با انقباض حرارتی، مساحت و حجم مواد کم می شود و این اتفاق برعکس چیزی است که در انبساط حرارتی رخ می دهد. می توان گفت، انبساط و انقباض دو پدیده ای هستند که برعکس هم رفتار می کنند. اختلاف دما در انقباض برعکس انبساط و منفی است، زیرا در این پدیده، دمای نهایی از دمای اولیه کمتر بوده و مقدارهای منفی برای طول، سطح و حجم به دست می آید.

با کم شدن دما، اتم ها کندتر حرکت کرده و به فضای کمتری برای حرکت نیاز دارند. حرکت اتم ها با سرعت کمی انجام شده و ماده کوچک تر شده و منقبض می شود. وقتی دما کاهش پیدا می کند، بیشتر مایعات و گازها منقبض می شوند. اما در این مورد نیز استثنائاتی وجود دارد. یکی از استثنائات معمول، آب است که انبساط آن در نقطه انجماد و کاهش دما اتفاق می افتد.

انبساط و انقباض در جامدات

انبساط و انقباض در جامدات
انبساط و انقباض در جامدات

در صورتی که جسمی که دچار انبساط می شود آزاد باشد، انبساط حاصل از زیاد شدن دما را می توان با کمک ضریب انبساط حرارتی به دست آورد. اما در صورت محدود بود جسم و عدم منبسط شدن، با تغییر کردن دما، تنش درونی به وجود می آید. در این شرایط محاسبه تنش ایجاد شده با کمک تصور کشش ایجاد شده در صورت آزاد بودن جسم و نیاز به کشش مورد نیاز برای کم کردن کشش ایجاد شده به صفر و با استفاده از رابطه تنش- کشش محاسبه می شود. این رابطه با مدول الاستیک یا یانگ معین می شود.

برای درک انقباض در جامدات، لیوان شیشه ای داغی را در نظر بگیرید که زیر آب سرد قرار می گیرد. در این شرایط، لیوان ترک خورده و علت آن در انقباض بیشتر قسمت بیرونی لیوان در مقایسه با سطح داخلی آن در هنگام مواجه با آب سرد است.

انبساط و انقباض در مایعات

در مایعات میزان انبساط حرارتی بیشتر از جامدات است و علت این امر در ضعیف بودن نیروهای بین مولکولی در مایعات است. در نتیجه مولکول های مایعات با سرعت بیشتری در حال حرکت بوده و این مواد شکل مشخصی ندارند. مایعات شکل هر ظرفی که داخل آن هستند را به خود گرفته و طول و مساحت مشخصی ندارند. این خواص باعث عدم اهمیت انبساط خطی و سطحی در مایعات می شود. وابسته بودن به دما برای انبساط حرارتی جامدات، به استثنای دماهای پایین، کم بوده ولی انبساط مایعات با سرعت های مختلف در دماهای متفاوت است.

انبساط و انقباض در مایعات
انبساط و انقباض در مایعات

وقتی آب گرم می شود، دچار انبساط می شود. با انقباض آب، به راحتی می توان انتقال آن به ظرف کوچکتر را انجام داد. زیرا با منقبض شدن، حجم آب کمتر می شود.

انقباض در گازها

همان آزمایشی که در بالا نیز اشاره شد را می توان برای درک انقباض در گازها بیان کرد. با قرار دادن بادکنکی در دهانه بطری و گذاشتن آن در آب سرد و یخ، مشاهده می شود که اندازه بادکنک کوچک و فشرده می شود. علت این امر انقباض هوای درون بادکنک و کم شدن حجم آن است.

رفتار غیرطبیعی آب و انبساط حرارتی منفی

به انقباض برخی از مواد خاص در یک محدوده خاصی که به موجب گرم شدن اتفاق می افتد، انبساط حرارتی منفی می گویند. ضریب انبساط حرارتی در آب زمانی که دمای آن به ۳,۹۸۳ برسد، صفر می شود. بعد از این دما، در آب ضریب انبساط حرارتی، منفی می شود. در این دماست که چگالی آب به حداکثر مقدار خود می رسد. به جهت این رفتار آب است که توده های آن در اعماق کم می توانند، این دما را برای مدت طولانی در هوای زیر صفر نگه دارند.

آب به عنوان عنصری جادویی در هنگام کاهش دما رفتاری غیرطبیعی از خود نشان می دهدو وقتی دمای آب کاهش پیدا می کند منقبض می شود ولی این انقباض ادامه دار نبوده و با قرار گرفتن در حالت انجماد، انبساط پیدا می کند. علت صدمه به لوله های آب در زمان یخ زدن آب، به دلیل همین رفتار غیرطبیعی آب است.

رفتار غیرطبیعی آب و انبساط حرارتی منفی
رفتار غیرطبیعی آب و انبساط حرارتی منفی

انبساط و انقباض با توجه به نظریه مولکولی

بر اساس نظریه مولکولی، مولکول های تشکیل دهنده مواد با گرم شدن آن ها، جنبش و حرکت بیشتری پیدا کرده و در نتیجه ی برخورد آن ها به همدیگر، فاصله بین مولکول ها زیاد می شود. در نتیجه حجم ماده زیاد شده و ماده دچار انبساط می شود. اما در صورت سرد شدن یک ماده، جنبش و برخورد مولکول ها کم شده و با نزدیک شدن مولکول ها به همدیگر، حجم ماده کوچک می شود.

انبساط و انقباض در فلزات

فلزات با گرم شدن منبسط و با سرد شدن منقبض می شوند. انبساط و انقباض آن ها در صورتی که با وسیله ای محدود نشده باشد، در تمام جهات خواهد بود. به عنوان نمونه با گرم شدن چدن، انبساط آزاد و بزرگ شدن آن در تمام جهات بوده و با سرد شدن، انقباض و کوچک شدن آن نیز در همان جهت و به صورت برگشت به حالت اولیه خواهد بود.

اما با قرارگیری چدن بین دو یا چند دیواره و محدود شدن آن، انبساط فقط در جهاتی خواهد بود که چدن آزاد است. حال بعد از انبساط، چدن مکعبی که دچار تغییر شده است را سرد کنیم، انقباض آن در تمام جهات و به طور یکسان خواهد بود. با مقایسه چدن به دست آمده بعد از انقباض با چدون اولیه، مشاهده تغییر همیشگی ابعاد آن در نتیجه انبساط محدود خواهیم شد.

کاربرد انبساط و انقباض

بسیاری از کارهای روزمره را می توان با پدیده ی انبساط گرمایی انجام داد. به عنوان مثال، وقتی درب فلزی یک شیشه باز نمی شود، اگر آن را به طور وارونه در آب داغ فرو کنید، در به راحتی باز می شود. در این شرایط فقط باید درب فلزی داخل آب داغ شود. دماسنج ها نمونه ی دیگری از ابزاری هستند که با انبساط کار می کنند. جیوه داخل دماسنج ها بر اساس تماس با محیطی داغ، منبسط شده و با بالا رفتن سطح آن در لوله شیشه ای، افزایش دما را نشان می دهد. اما اگر دماسنج در ماده ای سرد وارد شود، با سرد و منقبض شدن، سطح جیوه داخل آن پایین آمده و کاهش دما نشان داده می شود.

مثال برای انبساط و انقباض

هنگامی که یک کاسه در یخچال قرار می گیرد و خارج می شود. برای از بین بردن سرما از لبه ظرف، باید آن را در آب گرم غوطه ور کنید، به این ترتیب پلاستیک منبسط می شود و اجازه می دهد محتویات از داخل آن خارج شود.

آب. مولکول‌ های آب وقتی گرم می ‌شوند منبسط می‌ شوند، وقتی سرد می‌ شوند منقبض می‌ شوند و وقتی یخ می‌ زنند، مولکول ‌های آب فشرده می ‌شوند.

آهن. این فلز در طبیعت در حالت جامد یافت می شود، یعنی مولکول های آن به یکدیگر نزدیکتر هستند. اما در اثر حرارت، این فلز منبسط می شود و آهن تبدیل به آهن مذاب می شود. همین امر در مورد فلزات دیگر مانند آلومینیوم، جیوه، سرب و غیره نیز صادق است.

آدامس. وقتی آدامس در دمای بالا باشد، آب می شود. این در یک روز گرم دیده می شود. سپس اگر این آدامس را در یخچال بگذاریم منقبض و سفت می شود.

ماهیچه های بدن در روزی با دمای اتمسفر بسیار پایین منقبض شده و پس از تمرین هوازی یا در روزهای بسیار گرم منبسط می شوند. چیزی که این را تنظیم می کند مایعات بدن ما (آب) است.

الوار. یک روز بسیار گرم آن را گسترش می دهد. سپس، هنگامی که دما کاهش می یابد، با انقباض دوباره شروع به تولید نویز می کند.

خطوط راه آهن با فاصله مشخصی ساخته شده اند که کمی از هم جدا شده اند. زیرا فلز در روزهای بسیار گرم منبسط شده و سپس با کاهش دما، دوباره منقبض می شود.

شیشه. اگر به یک لیوان معمولی آب جوش اضافه کنیم، داخل لیوان منبسط می شود در حالی که بیرون آن سرد است. این کار باعث شکستن شیشه می شود.

دماسنج. داخل این وسیله جیوه مایع وجود دارد. همانطور که در عناصر مایع، ذرات نسبتاً از یکدیگر دور هستند، جیوه، هنگامی که در معرض گرما قرار می گیرند (به عنوان مثال تب بدن)، از دماسنج بالا می رود زیرا مایع تر شده است.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

دکمه بازگشت به بالا