Kurs: Budowa i właściwości materii · Moduł 09

Rozszerzalność cieplna — dlaczego tory mają szczeliny?

PPrezentacja dla nauczyciela

W upalny dzień szyny kolejowe wydłużają się, dlatego między nimi zostawia się szczeliny. Mosty mają specjalne dylatacje, a bimetalowy pasek wygina się w żelazku. Wszystko to skutki rozszerzalności cieplnej — zmiany wymiarów ciała wywołanej zmianą temperatury.

Rozszerzalność ciał stałych

Gdy ogrzewamy ciało stałe, jego cząsteczki zaczynają drgać coraz mocniej. Drgania potrzebują miejsca, więc średnie odległości między cząsteczkami nieco rosną. W efekcie całe ciało wydłuża się i zwiększa swoją objętość. Same cząsteczki nie stają się większe — zmieniają się odległości między nimi.

Ten efekt jest zwykle niewielki, ale przy dużych wymiarach staje się zauważalny. Metrowy stalowy pręt wydłuża się o około 0,012 mm przy ogrzaniu o 1 °C. To mniej niż grubość włosa. Stumetrowy most ogrzany o 40 °C wydłuża się już o prawie 5 cm — a to wystarczy, by powstały ogromne naprężenia, gdyby nie zostawiono miejsca na rozszerzenie.

Dlatego na starszych torach kolejowych zostawia się szczeliny między szynami. Zimą szyny się kurczą, więc szczelina się powiększa. Latem szyny wydłużają się i szczelina się zmniejsza. Dzięki temu szyny nie napierają na siebie z taką siłą, która mogłaby je wygiąć. W nowoczesnych torach bezstykowych stosuje się inne rozwiązania: szyny są spawane i odpowiednio mocowane, a na mostach i wiaduktach montuje się dylatacje — specjalne przerwy i łączniki, które pozwalają konstrukcji się wydłużać.

Rozszerzalność widać też na mostach i w instalacjach. Latem przewody elektryczne zwisają niżej, bo są dłuższe, a zimą się napinają. Betonowe płyty dróg mają przerwy dylatacyjne, żeby nie pękały. Szklanka wylana wrzątkiem może pęknąć, jeśli szkło nagrzewa się nierównomiernie: jedna część rozszerza się szybciej niż druga i powstają naprężenia.

Ciekawym zastosowaniem jest bimetal. To dwa paski różnych metali trwale połączone ze sobą. Metale mają różne współczynniki rozszerzalności, więc po ogrzaniu jeden wydłuża się bardziej od drugiego. Pasek wygina się w stronę metalu, który rozszerza się słabiej. Bimetal stosuje się w termostatach żelazek i piekarników, w termometrach bimetalicznych oraz w wyłącznikach i czujnikach temperatury.

Rozszerzalność cieczy i gazów

Ciecze rozszerzają się przy ogrzewaniu zwykle bardziej niż ciała stałe. Ich cząsteczki są nadal blisko siebie, ale mają większą swobodę ruchu, więc wzrost temperatury wyraźniej zwiększa zajmowaną objętość. Właśnie na tym opiera się działanie zwykłego termometru cieczowego.

W termometrze znajduje się zbiorniczek z cieczą i bardzo cienka rurka. Gdy temperatura rośnie, ciecz rozszerza się bardziej niż szkło. Nadmiar cieczy wchodzi do rurki, a ponieważ rurka jest wąska, nawet niewielka zmiana objętości daje wyraźny wzrost słupka. Dzięki temu możemy odczytać temperaturę z dokładnością do dziesiątych części stopnia.

W termometrach używano kiedyś rtęci, która zamarza dopiero przy -39 °C. W bardzo zimnym klimacie lepszy jest alkohol, ponieważ zamarza przy około -114 °C. Rtęć jest jednak silnie trująca, więc współczesne termometry coraz częściej zawierają alkohol z barwnikiem albo są elektroniczne. Rozbitego termometru rtęciowego nie wolno dotykać gołymi rękami ani wymiatać do zwykłego kosza.

Gazy rozszerzają się jeszcze bardziej niż ciecze. Gaz w balonie postawionym w ciepłym miejscu zwiększa objętość, a gaz w zamkniętej butelce zwiększa ciśnienie. Dlatego opakowań aerozolowych nie wolno podgrzewać ani wrzucać do ognia — ciśnienie może rozerwać pojemnik. Z tego samego powodu latem trzeba sprawdzać ciśnienie w oponach, zanim wyruszy się w długą trasę.

Niezwykła woda i zastosowania

Większość substancji przy chłodzeniu się kurczy, a przy ogrzewaniu rozszerza. Woda w większości przypadków też tak się zachowuje, ale w przedziale od 0 °C do 4 °C robi coś odwrotnego: ogrzewana, kurczy się. Największą gęstość osiąga w temperaturze około 4 °C. Dopiero powyżej 4 °C zaczyna się rozszerzać jak typowa ciecz.

Ta anomalia wody wynika z budowy jej cząsteczek i sposobu, w jaki się łączą. W lodzie cząsteczki tworzą dość „ażurową” sieć, która zajmuje więcej miejsca niż uporządkowanie cząsteczek w ciekłej wodzie. Dlatego lód ma mniejszą gęstość niż woda — około 0,92 g/cm³ wobec 1,0 g/cm³. Innymi słowy, ta sama masa lodu zajmuje więcej objętości niż wody.

Skutki są ogromne. Lód pływa po wodzie, bo jest lżejszy od niej. Jezioro zamarza od powierzchni, a nie od dna. Gdy woda na powierzchni ochładza się do 4 °C, staje się gęstsza i opada, mieszając się z głębszą wodą. Kiedy całe jezioro osiągnie około 4 °C, dalsze ochładzanie sprawia, że woda przy powierzchni staje się lżejsza i zostaje na górze. Tam zamarza, tworząc warstwę lodu. Lód jest dobrym izolatorem, więc woda pod nim nie zamarza tak szybko i ryby mogą przetrwać zimę.

Ta sama właściwość powoduje problemy. Woda zamarzająca w rurach zwiększa objętość o około 9% i może rozerwać rurę. Woda w szczelinach skał zamarza, rozsadza je i przyczynia się do wietrzenia mrozowego oraz powstawania dziur w drogach. Dlatego rury wodociągowe ociepla się, a przed zimą spuszcza się wodę z instalacji w nieogrzewanych budynkach.

Znajomość rozszerzalności cieplnej jest potrzebna w budownictwie i technice. Dylatacje w mostach i torach, bimetalowe termostaty, termometry, izolacja rur i odpowiedni dobór materiałów to codzienne zastosowania tych zjawisk. Inżynier musi przewidzieć, jak konstrukcja zmieni się podczas upału i mrozu, żeby była bezpieczna przez cały rok.